适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人及使用方法

1.本发明属于水下机器人检测与作业技术领域，尤其涉及一种适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人及使用方法。
2.

背景技术：

3.隧洞是一种具有灌溉、发电、供水、泄水、输水等功能的大型基础设施，在我国的水利工程中占据重要地位。由于隧洞具有隐蔽性、地质条件复杂、工程施工难度大、运行条件差等特点，隧洞水下的混凝土表面易产生破损，若无法及时检测和修复隧洞缺陷，则会造成隧洞断裂垮塌、管路沉降等事故。
4.隧洞水下表面缺陷的处理流程主要包括：表面清理、扩缝、埋设灌浆管、灌浆和粘贴防渗模块。表面清理作为处理流程的第一步，主要进行水下混凝土破损表面附着物和疏松层的清理，保证壁面缺陷完全显露，以便后续工艺的进行。现有的水下表面清理方式主要包括人工清理和水下机器人清理。人工清理是指技术人员携带刮铲、转刷、水枪等工具，潜入水下进行手动清理；相比之下，水下机器人通过遥控或自主控制的方式进行清理，具有高效率、工作时间长等特点，但是目前隧洞水下作业机器人的清理工具单一，清理过程的自动化程度较低，难以同时实现隧洞水下破损表面的检测和全自动清理，清理的效果也不是很理想，因此需要一种高效率、高自动化程度并具有良好清理效果的隧洞水下破损表面附着物清理方法，以及能够实现该方法的水下作业机器人。
5.

技术实现要素：

6.本发明正是针对现有技术中隧洞水下作业机器人清理工具单一、检测不准确、无法自动化清理且清理效果不佳的问题，提供一种适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人及使用方法，包括底盘、运动模块、视觉模块、清理工具模块和控制通信模块，以提出的水下作业机器人为载体，使用了高压水枪和旋转钢刷两种清理工具，针对水下壁面缺陷，提出了清理区域和清理轨迹的一种构造方法，可保证壁面缺陷位置的全覆盖清理，安全高效、清洗效果好、自动化程度高，有利于后续的修复作业。
7.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，包括底盘、运动模块、视觉模块、清理工具模块和控制通信模块，所述运动模块包括一对行走轮和相对应的履带，两个行走轮分别位于底盘两侧，以底盘中心呈对称分布，履带覆盖于相对应的行走轮上，用于驱动清理机器人的运动；所述视觉模块位于底盘顶部中间，包括电动升降杆和连接于电动升降杆顶端的云台摄像头；所述清理工具模块位于底盘顶部前端，包括工具安装架和机械臂，所述工具安装架上设有六边形凹槽，每个凹槽内设有可控电磁铁，至少可分别容纳放置高压水枪和旋转
钢刷；所述机械臂通过基座安装于底盘顶部前端，机械臂呈电驱动关节一体化，外裹防水密封膜层，机械臂末端设有夹爪和六维力传感器；所述控制通信模块分别与运动模块、视觉模块和清理工具模块相连接，用于接收和计算视觉模块的图像信息、向运动模块和清理工具模块发送指令。
8.作为本发明的一种改进，所述高压水枪设有网状进水口和增压喷头，其内部还集成设有增压装置，水流依次通过网状进水口、增压装置和增压喷头后，形成高压圆柱形水流；所述高压水枪表面还设有与工具安装架上凹槽相匹配的六边形把手，把手表面覆盖导磁材料层。
9.作为本发明的一种改进，所述旋转钢刷包括可旋转的钢丝刷头和集成电机，钢丝刷头和集成电机通过联轴器相连接，所述旋转钢刷表面还设有与工具安装架上凹槽相匹配的六边形把手，把手表面覆盖导磁材料层。
10.作为本发明的另一种改进，还包括导航定位模块，所述导航定位模块位于底盘前端，与控制通信模块相连接。
11.为了实现上述目的，本发明还采取的技术方案是：一种适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人的使用方法，包括如下步骤：s1，将清理机器人放入水下隧洞中，通过视觉模块获取隧洞水下破损壁面的画面信息，将画面信息传入控制通信模块进行识别，根据已识别的隧洞水下壁面缺陷位置，在壁面所处二维平面中构造该缺陷的最小外接矩形并扩展，生成待清理区域；s2，在待清理区域内进行栅格地图建模，分别以高压水枪和旋转钢刷的内接正方形作为单个栅格，保证单点清理可覆盖整个栅格，所述栅格地图建模的规则为：栅格地图各边与待清理区域对应边的差值不超过单个栅格边长；s3，针对步骤s2获得的栅格地图，分别生成高压水枪和旋转钢刷的清理轨迹，所述清理轨迹以栅格地图中左上角栅格中心点为起点，采用zigzag遍历法，生成之字形的清理轨迹，实现对所有栅格的遍历；s4，控制通信模块基于清理轨迹驱动运动模块，将机器人运动至对应位置，对清理工具模块中的工具安装库进行电磁铁断电，机械臂夹爪从工具安装架上抓取高压水枪，启动高压水枪，对起点栅格进行清洗，按照高压水枪的清理轨迹进行遍历，直至依次覆盖所有栅格后，机械臂夹爪将高压水枪放回工具安装架，工具安装架通电吸附高压水枪；s5，再次对工具安装库中放置旋转钢刷的凹槽进行电磁铁断电，机械臂夹爪从工具安装库中抓取旋转钢刷，按照步骤s3中旋转钢刷的清理轨迹进行遍历，直至依次覆盖所有栅格，所述旋转钢刷工作过程中，机械臂上六维力传感器的同方向分力持续不为零；s6，清理工作结束后，机械臂夹爪将旋转钢刷放回工具安装架，工具安装架通电吸附旋转钢刷，控制通信模块驱动运动模块，将清理机器人带回起始点与现有技术相比：本发明的隧洞水下破损表面附着物清理方法及机器人，避免了人工实施水下清理作业，具有高安全性、高效率、清理效果优良、自动化程度高等优点。其中，清理方法中以提出的水下作业机器人为载体，使用了高压水枪和旋转钢刷两种清理工具，并使用基于位置的阻抗控制方法，有利于互补优势，提高清理效果；针对水下壁面缺陷，提出了清理区域和清理轨迹的一种构造方法，可保证壁面缺陷位置的全覆盖清理，有利于后续的修复作业。
附图说明
12.图1为本发明实施例中隧洞水下破损表面清理机器人的整体结构示意图；图2为本发明实施例中机械臂的结构示意图；图3为本发明实施例中高压水枪的结构示意图；图4为本发明实施例中旋转钢刷的结构示意图；图5为本发明实施例中工具安装架的结构示意图；图6为本发明实施例中机器人在隧洞水下清理壁面裂缝周围区域的状态图；图7为本发明实施例中清理方法的工作流程图；图8为本发明实施例中由壁面裂缝构造栅格地图的示意图；图9为本发明实施例中由栅格地图构造清理轨迹的示意图；图10为本发明实施例中用于旋转钢刷的基于位置的阻抗控制模型示意图；附图标识列表：1、底盘；2、履带；3、行走轮；4、电动升降杆；5、云台摄像头；6、工具安装架；6-1、凹槽；6-2、可控电磁铁；7、旋转钢刷；7-1、钢丝刷头；7-2、联轴器；7-3、集成电机；7-4、旋转钢刷把手；8、高压水枪；8-1、网状进水口；8-2、增压装置；8-3、增压喷头；8-4、六边形把手；9、机械臂；9-1、基座；9-2、夹爪；9-3、六维力传感器；10、隧洞；11、裂缝。
具体实施方式
13.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
14.实施例1一种适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，如图1所示，包括底盘1、运动模块、视觉模块、清理工具模块和控制通信模块，所述运动模块包括一对行走轮3和相对应的履带2，两个行走轮3分别位于底盘1两侧，以底盘1中心呈对称分布，其中每一侧具有上下两排行走轮3，履带2覆盖于相对应的行走轮3上，进而驱动机器人在水下移动。
15.所述视觉模块位于底盘1顶部中间，包括电动升降杆4和连接于电动升降杆4的云台摄像头5，电动升降杆4的顶部通过螺纹固定云台摄像头5，云台摄像头5用于获取水下图像，识别隧洞水下壁面缺陷及其位置，以便后续构造栅格地图和清理轨迹，电动升降杆4用于调节云台摄像头5的高度，适应不同隧洞环境下的壁面要求，适用范围更加广泛。
16.所述清理工具模块位于底盘1顶部前端，包括工具安装架6和机械臂9，如图5所示，所述工具安装架6上设有六边形凹槽6-1，每个凹槽6-1内设有可控电磁铁6-2，通电时可吸附清理工具高压水枪8和旋转刷头7，断电时机械臂9的夹爪9-2可夹取清理工具的六边形把手，并取下工具执行清理；附图2所示，所述机械臂9通过基座9-1安装于底盘1顶部前端，机械臂9呈电驱动关节一体化，外裹防水密封膜层，适用于水下作业，机械臂9末端设有夹爪9-2和六维力传感器9-3，夹爪9-2用于夹取旋转钢刷7和高压水枪8并实施水下表面清理工作，六维力传感器9-3用于检测旋转钢刷7与壁面之间的接触力，以实现基于位置的阻抗控制。
17.附图3所示，高压水枪8设有网状进水口8-1和增压喷头8-3，其内部还集成设有增压装置8-2，水流依次通过网状进水口8-1、增压装置8-2和增压喷头8-3后，形成高压圆柱形
水流，用于冲洗清除表面的一般附着物；所述高压水枪8表面还设有与工具安装架6上凹槽6-1相匹配的六边形把手8-4，六边形把手8-4表面覆盖导磁材料层，当工具安装架6断电时，机械臂9的夹爪9-2可夹取高压水枪的六边形把手8-4，取下高压水枪后执行清理工作；当工具安装架6通电后，高压水枪8表面的六边形把手8-4与工具安装架6上的六边形凹槽6-1相匹配，高压水枪8吸附于工具安装架6的凹槽6-1内。
18.如图4所示，所述旋转钢刷7包括可旋转的钢丝刷头7-1和集成电机7-3，钢丝刷头7-1和集成电机7-3通过联轴器7-2相连接，所述旋转钢刷7表面还设有与工具安装架6上凹槽6-1相匹配的六边形旋转钢刷把手7-4，旋转钢刷把手7-4表面也覆盖导磁材料层，使用方法和高压水枪8相同。
19.所述控制通信模块分别与运动模块、视觉模块和清理工具模块相连接，用于接收和计算视觉模块的图像信息、向运动模块和清理工具模块发送指令，使用时，通过视觉模块获取隧洞的环境信息和壁面缺陷信息，控制通信模块根据实际情况对于待清理区域进行计算后生成清理轨迹，控制通信模块控制运动模块将清理机器人运动到对应地点，启动清理工具模块，依次对工具安装架6的不同凹槽6-1分别断电，机械臂9的夹爪9-2可夹取高压水枪的六边形把手8-4或旋转钢刷把手7-4，取下高压水枪8或旋转钢刷7后执行清理工作；当工具安装架6通电后，高压水枪8表面的六边形把手8-4和旋转钢刷7表面的旋转钢刷把手7-4与工具安装架6上的六边形凹槽6-1相匹配，高压水枪8和旋转钢刷7吸附于工具安装架6的凹槽6-1内。
20.本实施例中的清理机器人还包括导航定位模块，所述导航定位模块位于底盘1前端，与控制通信模块相连接，用于辅助规划机器人的运动轨迹，大大提高了清洗位置的准确性和操作的便捷性。
21.实施例2本实施例公开的是水下表面清理机器人在隧洞10水下对裂缝11周围壁面进行现场清理，如图6所示，隧洞10是一种马蹄形输水隧洞，裂缝11位于隧洞10的水下侧壁面，属于典型的隧洞缺陷类型；所述水下表面清理机器人在隧洞10的底面，对裂缝11周围的壁面执行表面清理。
22.一种适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人的使用方法，其工作流程，如图7所示，包含以下步骤：步骤s1：将清理机器人放入水下隧洞10中，通过视觉模块获取隧洞10水下破损壁面的画面信息，将画面信息传入控制通信模块进行识别，识别隧洞10水下壁面缺陷，记录缺陷的空间位置，根据已识别的隧洞10水下壁面缺陷位置，在壁面所处二维平面中构造该缺陷的最小外接矩形并扩展，生成待清理区域，所述待清理区域可以是该缺陷的最小外接矩形，将该矩形各边向外扩展15mm后成为待清理区域，以保证清理之后壁面上的缺陷完全显露，产生足够大的作业空间，以满足水下缺陷修复工艺的基本要求。
23.步骤s2： 针对高压水枪8和旋转钢刷7两种清理工具，分别在待清理区域内构造栅格地图a和栅格地图b，取栅格形状为正方形，栅格大小则根据清理工具的特征分别设计。
24.对于高压水枪8，构造栅格地图a，其栅格大小与水枪水压、作业距离相关，通过提前测试获得水枪清理面积与水压、距离关系的数据模型，计算高压水枪8单点清理的圆形有效区域，取其内接正方形作为栅格地图a的单个栅格，保证单点清理可覆盖整个栅格。以待
清理区域的左上角为起点，逐行放置栅格，构造栅格地图a，如图8所示，规则是栅格地图各边与待清理区域对应边的差值不超过单个栅格边长。
25.对于旋转钢刷7，构造栅格地图b，其栅格大小与钢刷刷头的圆形面积有关，取其内接正方形作为栅格地图b的单个栅格，保证单点清理可覆盖整个栅格。以待清理区域的左上角为起点，逐行放置栅格，构造栅格地图b，如图8所示，规则是栅格地图各边与待清理区域对应边的差值不超过单个栅格边长。
26.对栅格地图a和栅格地图b的所有栅格初始化为待覆盖栅格，表示对应区域需要清理。
27.步骤s3：针对高压水枪8和旋转钢刷7两种清理工具，分别在栅格地图a、栅格地图b生成清理轨迹a、清理轨迹b。设计清理轨迹a和清理轨迹b时采用相同规则，以栅格地图中左上角栅格中心点为起点，采用zigzag遍历法，生成之字形的清理轨迹，实现对所有栅格的遍历。其中，清理轨迹存在往返和前进两个运动方向，取栅格地图的长边作为往返方向，短边作为前进方向，如图9所示，有利于减少转弯次数，降低控制难度。
28.步骤s4：控制通信模块基于清理轨迹对运动模块进行控制，以驱动机器人运动至对应位置，对清理工具模块中的工具安装架6进行电磁铁断电，机械臂9的夹爪9-2从工具安装架6夹取高压水枪8，进行初步清理。控制高压水枪8增压喷头8-3的中心轴线对准待清理区域对应二维平面，保持增压喷头8-3与壁面的距离恒为预设值，再对准清理轨迹a的起点，启动水枪增压器，对起点栅格进行清洗。按照清理轨迹a，使用高压水枪8对栅格地图a进行遍历清理，依次覆盖所有栅格。在完成栅格地图a的遍历后，机械臂9的夹爪9-2将高压水枪8放回工具安装架6，工具安装架6通电吸附高压水枪8，初步清理完成。
29.步骤s5：工具安装架6的电磁铁断电，机械臂9的夹爪9-2从工具安装架6夹取旋转钢刷7，进行深度清理。控制旋转钢刷7钢丝刷头7-1的中心轴线对准待清理区域对应的二维平面，再对准清理轨迹b的起点，向待清理壁面移动，至机械臂9的六维力传感器9-3检测到该方向的分力不为0，说明钢丝刷头7-1已接触到待清理壁面。
30.当钢丝刷头7-1与壁面接触后，启动旋转钢刷7的集成电机7-3，进行接触式清理作业。在待清理区域对应的二维平面上进行位置控制，按照清理轨迹b，使用旋转钢刷7对栅格地图b进行遍历清理，依次覆盖所有栅格；本实施例还可在待清理区域的法向上进行基于位置的阻抗控制，使钢丝刷头7-1与壁面之间的法向接触力逼近期望接触力。如图10所示，预设的期望接触力输入阻抗控制模型，机械臂9的六维力传感器9-3获取壁面法向的力 ，通过重力补偿消除机械臂9和旋转钢刷7本身重力影响，得到相对准确的力 ；将输入力控制器，计算得钢丝刷头7-1末端位置的修正值；将 叠加到钢丝刷头7-1末端的当前位置，得到期望位置；将期望位置输入位置控制器，利用逆运动学原理控制钢丝刷头7-1末端到达期望位置，从而实现接触力的闭环控制。
31.s6，在完成栅格地图b的遍历后，关闭阻抗控制，机械臂夹爪9-2将旋转钢刷7放回工具安装架6，工具安装架6通电吸附旋转钢刷7，深度清理完成。清理工作结束后，控制通信模块驱动运动模块，将清理机器人带回起始点。
32.本实施例的方法基于水下作业机器人为载体，使用了高压水枪和旋转钢刷两种清理工具，针对水下壁面缺陷，提出了清理区域和清理轨迹的构造方法，可保证壁面缺陷位置
的全覆盖清理，具有高安全性、高效率、清理效果优良、自动化程度高等优点，也有利于后续的修复作业，符合实际需求，便于操作，是机器人检测与作业技术领域的重大创新与改进。
33.需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，其特征在于：包括底盘、运动模块、视觉模块、清理工具模块和控制通信模块，所述运动模块包括一对行走轮和相对应的履带，两个行走轮分别位于底盘两侧，以底盘中心呈对称分布，履带覆盖于相对应的行走轮上，用于驱动清理机器人的运动；所述视觉模块位于底盘顶部中间，包括电动升降杆和连接于电动升降杆顶端的云台摄像头；所述清理工具模块位于底盘顶部前端，包括工具安装架和机械臂，所述工具安装架上设有六边形凹槽，每个凹槽内设有可控电磁铁，至少可分别容纳放置高压水枪和旋转钢刷；所述机械臂通过基座安装于底盘顶部前端，机械臂呈电驱动关节一体化，外裹防水密封膜层，机械臂末端设有夹爪和六维力传感器；所述控制通信模块分别与运动模块、视觉模块和清理工具模块相连接，用于接收和计算视觉模块的图像信息、向运动模块和清理工具模块发送指令。2.如权利要求1所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，其特征在于：所述高压水枪设有网状进水口和增压喷头，其内部还集成设有增压装置，水流依次通过网状进水口、增压装置和增压喷头后，形成高压圆柱形水流；所述高压水枪表面还设有与工具安装架上凹槽相匹配的六边形把手，把手表面覆盖导磁材料层。3.如权利要求1或2所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，其特征在于：所述旋转钢刷包括可旋转的钢丝刷头和集成电机，钢丝刷头和集成电机通过联轴器相连接，所述旋转钢刷表面还设有与工具安装架上凹槽相匹配的六边形把手，把手表面覆盖导磁材料层。4.如权利要求3所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，其特征在于：还包括导航定位模块，所述导航定位模块位于底盘前端，与控制通信模块相连接。5.如权利要求4所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，其特征在于：还包括距离监测模块，所述距离监测模块位于底盘前端，与控制通信模块相连接，清理机器人四周设有防碰撞条。6.适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，将清理机器人放入水下隧洞中，通过视觉模块获取隧洞水下破损壁面的画面信息，将画面信息传入控制通信模块进行识别，根据已识别的隧洞水下壁面缺陷位置，在壁面所处二维平面中构造该缺陷的最小外接矩形并扩展，生成待清理区域；s2，在待清理区域内进行栅格地图建模，分别以高压水枪和旋转钢刷的内接正方形作为单个栅格，保证单点清理可覆盖整个栅格，所述栅格地图建模的规则为：栅格地图各边与待清理区域对应边的差值不超过单个栅格边长；s3，针对步骤s2获得的栅格地图，分别生成高压水枪和旋转钢刷的清理轨迹，所述清理轨迹以栅格地图中左上角栅格中心点为起点，采用zigzag遍历法，生成之字形的清理轨迹，实现对所有栅格的遍历；s4，控制通信模块基于清理轨迹驱动运动模块，将机器人运动至对应位置，对清理工具模块中的工具安装库进行电磁铁断电，机械臂夹爪从工具安装架上抓取高压水枪，启动高压水枪，对起点栅格进行清洗，按照高压水枪的清理轨迹进行遍历，依次覆盖所有栅格后，
机械臂夹爪将高压水枪放回工具安装架，工具安装架通电吸附高压水枪；s5，再次对工具安装库中放置旋转钢刷的凹槽进行电磁铁断电，机械臂夹爪从工具安装库中抓取旋转钢刷，按照步骤s3中旋转钢刷的清理轨迹进行遍历，依次覆盖所有栅格，所述旋转钢刷工作过程中，机械臂上六维力传感器的同方向分力持续不为零；s6，清理工作结束后，机械臂夹爪将旋转钢刷放回工具安装架，工具安装架通电吸附旋转钢刷，控制通信模块驱动运动模块，将清理机器人带回起始点。7.如权利要求6所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人的使用方法，其特征在于：所述步骤s1中的待清理区域，可通过构造最小外接矩形后，将矩形各边向外扩展15mm后形成。8.如权利要求6或7所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人的使用方法，其特征在于：所述步骤s3的清理轨迹中，将栅格地图的长边作为轨迹中的往返方向，短边作为前进方向。9.如权利要求8所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人的使用方法，其特征在于：所述步骤s5旋转钢刷的工作过程中，在待清理区域的法向上进行基于位置的阻抗控制，使刷头与壁面之间的法向接触力逼近期望接触力。10.如权利要求9所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人的使用方法，其特征在于：所述步骤s2高压水枪的栅格地图中，其栅格大小与水枪水压、作业距离相关；旋转钢刷的栅格地图中，其栅格大小与钢刷刷头的圆形面积相关。

技术总结
本发明公开了一种适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人及使用方法，包括底盘、运动模块、视觉模块、清理工具模块和控制通信模块，所述清理工具模块位于底盘顶部前端，包括工具安装架和机械臂，工具安装架上设有六边形凹槽，每个凹槽内设有可控电磁铁，至少可容纳高压水枪和旋转钢刷；机械臂通过基座安装于底盘顶部前端，机械臂呈电驱动关节一体化，外裹防水密封膜层，机械臂末端设有夹爪和六维力传感器；以提出的水下作业机器人为载体，使用了高压水枪和旋转钢刷两种清理工具，针对水下壁面缺陷，提出了清理区域和清理轨迹的构造方法，可保证壁面缺陷位置的全覆盖清理，安全高效、清洗效果好、自动化程度高，有利于后续的修复作业。复作业。复作业。


技术研发人员：宋光明 纪梓潮 毛巨正 张鸣权 宋爱国
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.04.24
技术公布日：2022/5/25