一种深孔泄水建筑物疏堵装置及疏堵方法与流程

本发明涉及深水清淤领域，尤其是一种深孔泄水建筑物疏堵装置及疏堵方法。

背景技术：

现有阶段主要的清淤手段可总结为三类：1）采用机械设备或人工潜入水下进行清理；2）泄洪或泄水冲刷底孔闸门前堆积物；3）上述2种方式相结合使用。

而现有的水电站水工闸门的启闭运行过程中，由于疏于管理和技术缺乏，闸门门前淤堵没有及时消除，曾引发多起运行事故，有的致使闸门和大坝遭受严重损坏，有的甚至导致大坝溃决。当前尚有较多水库未定期开展深孔闸门前堆积物清理工作，不利于工程长效稳定运行与安全运行。水下机器人深水清淤技术是我国重点研究课题。

由于在深水环境，水下机器人在深水环境行走需要克服三方面技术难题：1）、克服水压作用，保证结构自身稳定与行走轨迹稳定，现有的一般通过机器人自身重量和履带式行走来实现；2）、对于淤积较高的作业环境，克服淤积物坍塌造成水下机器人被封埋的风险；3）、克服深水下淤积物成分与堆积形态不定对机器人水下自推进行走带来较高技术要求。

另外，现有的清淤设备，机器人下水前，需要提前描绘出深孔水下地形与确定清淤体形态，然后通过各种设备进行机器人定位作业，成本高，运行周期长。

另外，由于在深水领域，清淤过程中，水下摄影技术难以发挥作用：淤泥受机器人行走扰动与作业扰动后，水质受污染面大，能见度基本为零。

另外，对于清淤情况无法及时掌握，在淤堵物破碎过程中，无法精准控制机器臂伸展与破碎完成情况的匹配性，易造成机器臂作业在泄水建筑物上，造成建筑物的直接破坏。

常规的水下自推进式机器人，较多采用履带式行走方式，以适应复杂的地形条件。对于有底板防护结构的泄水建筑物等，履带直接与混凝土底板接触，将容易造成一定的损伤。在闸门提拉后泄水冲刷作用下，具有结构破坏的潜在威胁。

水下行走式机器人在深水泄水建筑物清淤过程中，对于疏堵后的杂物清理主要有虹吸、机器人夹带或搭载运移、虹吸与搭载相结合等方法，一方面工作效率不高，一方面反复行走，对建筑物底板的损失进一步加剧，另一方面对于非常规淤堵物，如网、树枝等虹吸不一定能实现。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种深孔泄水建筑物疏堵装置及及疏堵方法，能够对深孔泄水建筑物进行有效清淤，且避免给深水泄水建筑物造成损伤。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种深孔泄水建筑物疏堵装置,包括机器人作业系统、转移系统；

所述机器人作业系统包括第一行走机头，第一行走机头滑动设置在深孔泄洪洞顶端的轨道槽内；第一行走机头下端安装有机械臂，机械臂与机械手连接；

所述转移系统包括水下皮带机，水下皮带机与行走底座连接，行走底座设置在深水泄洪洞底板上；所述水下皮带机一侧设有行走吊斗，行走吊斗通过吊绳组与第二行走机头上的起升机构连接，第二行走机头设置在轨道槽内；所述行走吊斗另一侧设有升降平台，升降平台通过缆线与吊机连接。

所述第一行走机头、第二行走机头均包括密封壳体，转轴两端伸出密封壳体外并与行走轮连接，转轴通过齿轮传动机构及第一伺服电机驱动。

所述机械臂包括与第一行走机头连接的机头，机头外安装有第二伺服电机，第二伺服电机的输出端与第一提升臂连接，第一提升臂下端安装有第三伺服电机，第三伺服电机的输出端与与基座连接，第二提升臂一端与基座铰接、另一端与摇摆臂铰接，摇摆臂上端伸出铰接点处铰接有第一液压缸，第一液压缸另一端与基座铰接。

所述机械手包括连接头，连接头与摇摆臂下端螺纹连接，连接头下端左右铰接有半圆料斗，两半圆料斗外侧均铰接有第二液压缸，第二液压缸另一端与连接头（33）铰接。

所述半圆料斗外壁设有破碎头，破碎头包括焊接部，焊接部一端设有连杆，连杆上固定有螺旋片。

所述吊绳组共四组，左右两两并排分布，每组吊绳上端均安装在绕线盘，绕线盘，每个绕线盘通过第四伺服电机驱动。

所述升降平台内设有斜撑板，斜撑板的斜面较低一端远离行走吊斗，斜撑板的斜面较高一端带有缺口，缺口宽度大于行走吊斗宽度。

一种深孔泄水建筑物疏堵方法，包括以下步骤：

1）、第一行走机头、将机械臂、机械手安装到位，并放置在升降平台上，通过卡扣形成固定或者皮带绑扎形式固定，利用吊机下放至水下，要求下放至水下、且位于洞顶下方一定距离。

2）、完成机器人水下人工松绑与安装，将第一行走机头安装至轨道槽内。

3）、通过控制系统通电，使得第一行走机头在轨道槽内来回行走，通过视频监控系统采集水下淤堵场景信息，供水上操作人员分析。

4）、与机器人下放类似，依次完成水下皮带机、行走吊斗带的下放。

5）、将升降平台四周固定栏板，在升降平台上放置斜撑板。改造成为具有收集功能的平台。在升降平台一侧设置缺口，可便于倾倒。

6）、通过第一行走机头将机械手移动到位；水下皮带机移动就位，行走吊斗紧挨水下皮带机右侧。

7）、通过第二伺服电机的转动及第一液压缸的伸缩调整机械臂整体的长度，与淤堵物堆积高度相适应。启动第二液压缸，将两半圆料斗关闭；启动第三伺服电机，使得机械手旋转；这样破碎头在旋转过程中可对淤堵物进行一定的破碎，方便后期抓取。

8）、在完成局部区域的破碎后，第二液压缸收缩，两半圆料斗张开，机械臂进行相应动作，实现对淤堵物的抓取，然后第二液压缸伸出，两半圆料斗闭合，并通过机械臂动作，将两半圆料斗移至水下皮带机，两半圆料斗张开，将淤堵物释放到水下皮带机上。

9）、当水下皮带机上的淤堵物堆积到一定重量后，皮带电机驱动水下皮带机缓慢，淤堵物在皮带末端时掉落到行走吊斗中。皮带停动继续接料。

10）、当行走吊斗中的淤堵物达到一定重量后，第二行走机头带动行走吊斗移动至升降平台处，左侧的吊绳组卷起部分，使得行走吊斗左侧翘起翻转，从而将行走吊斗内的淤堵物倒入升降平台内。随后行走吊斗返回到水下皮带机处继续接料。

11）、重复上述6）-10）的动作，直至淤堵物完成清理，在此过程中，升降平台可通过吊机间隔上提出水面，通过汽车吊运至岸上，将升降平台中的淤堵物清除后返回原位。

本发明一种深孔泄水建筑物疏堵装置及疏堵方法，具有以下技术效果：

1）、通过设置轨道槽，轨道槽可通过水下建筑物在建设过程中进行预制，对于建筑物的设计与施工，是一种创新，而对于清污而言，一方面可实现机器人顶部行走，避免机器人行走过程，履带与淤堵物的接触，造成水质浑浊，视野丧失；另一方面既定轨道行走，对于水下定位的技术要求相对简单，通过电缆线的伸缩长度即可反算得出。

2）、通过机器臂向下作业的反推力，将作业时产生的力传递至洞顶，克服水压作用，保证结构自身稳定与行走轨迹稳定

3）、由于机器人不需要通过重力保证在深水环境下的稳定，因此可将机器人进行轻量化处理，既保证了机器人在轨道上行走的安全性，同时避免了重型机器人在建筑物底板行走造成的损失。

4）、洞顶行走式机器人，不存在地面行走问题，即使遇到行走空间不足情况，亦可通过破碎，形成可行走空间。

5）、通过机器人最大伸展长度与洞高的控制以及机器人最大伸展宽度与洞径的匹配，可有效控制机器头与建筑物的接触，最大程度减小对建筑物的损失

7）、机械臂、机械手可拆卸连接，通过破碎后，利用不同机器头作业，可满足各种非常规物源，效果显著。

8）、通过设置水下皮带机，由于水下皮带机具有一定长度，这样可避免传统机器人往返行走和虹吸作业，节省了行程，提高了作业效率；另外由于水下皮带机上承载的表面积较大，这样可降低机械手投递淤堵物时的精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的工作状态示意图。

图2为本发明中机器人的安装示意图（仅为示意，不是具体结构）。

图3为本发明中机器人的结构示意图。

图4为本发明中机器人的结构示意图。

图5为本发明中行走吊斗的结构示意图。

图6为图5中a处的局部放大示意图。

图7为本发明中行走吊斗靠近升降平台处的示意图。

图8为本发明中半圆料斗的结构示意图。

图9为本发明中破碎头的结构示意图。

图10为本发明中机器人电控方框图。

图中：闸门1,淤堵物2,第一行走机头3，轨道槽4,机械臂5，机械手6，水下皮带机7，行走底座8，底板9，行走吊斗10，吊绳组11，第二行走机头12，起升机构13，升降平台14，缆线15，吊机16，控制系统17，密封壳体18，转轴19，行走轮20，齿轮传动机构21，第一伺服电机22，机头23，控制模块24，水下计算机25，第二伺服电机26，第一提升臂27，第三伺服电机28，基座29，第二提升臂30，摇摆臂31，第一液压缸32，连接头33，半圆料斗34，第二液压缸35，破碎头36，焊接部37，连杆38，螺旋片39，绕线盘40，第四伺服电机41，深孔泄洪洞42，主控箱43，操作显示箱44，脐带电缆45，电机驱动模块46。

具体实施方式

如图1所示，一种深孔泄水建筑物疏堵装置,作用于深孔泄洪洞42。

深孔泄洪洞42为围岩衬砌混凝土结构，深孔泄洪洞的一端设置有闸门1，在电站运行中当需进行水位调节时，闸门需进行提拉放水，提拉过程若因淤堵受阻将影响电站运行安全。

深孔泄洪洞42的底板9为混凝土结构，在传统机器人清淤技术中，机器人直接在混凝土结构上行走，由于淤堵物的存在，导致机器人自行走过程自稳难度大，需靠通过机器人重度的增加来确保行走稳定，履带行走过程中，对底板存在破坏的可能。

深孔泄洪洞42的顶部为弧形结构，在传统的弧形顶板上预留轨道槽，要求在泄洪洞土建施工过程中进行布置，该预留轨道槽的存在，较传统施工方案，改变了土建工程施工工艺，对衬砌要求有所提高，但因预留轨道的存在，对泄洪洞后期维护、清淤、闸门检修等提供了便利。机器人可在洞顶行走，在清淤过程中，不存在自稳定问题，可大幅度减轻机器人的重量和对底板的损坏。

这里的淤堵物2主要为闸门1前的淤堵物2。

一种深孔泄水建筑物疏堵装置，包括洞内作业系统和洞外作业系统。

洞外作业系统主要包括洞外水上的吊机16，吊机16这里可为汽车吊，也可为塔机。主要为垂直运输提供动力。吊机16通过缆线15（钢缆线）与水下的升降平台14连接，这里的升降平台14为垂直运输提供放置平台，缆线15系在升降平台14四周后汇聚一根进行连接，确保升降平台14水下垂直移动的稳定。在升降平台14底部镂空，四周预留卡槽，可方便安装固定栏板。

在洞外水上还设置有控制系统17，控制系统17包括主控箱43，其通过电缆连接操作显示箱44，并通过脐带电缆45连接水下设备，用于处理输入的操作指令和水下设备反馈的操作数据。

洞内作业系统包括机器人，机器人包括第一行走机头3，第一行走机头3滑动设置在深孔泄洪洞顶端的轨道槽4内；第一行走机头3下端安装有机械臂5，机械臂5与机械手6连接。

所述第一行走机头3包括密封壳体18，转轴19两端伸出密封壳体18外并与行走轮20连接，转轴19通过齿轮传动机构21及第一伺服电机22驱动。

这里的行走轮20为四个，保证机器人行走过程受力均衡，通过第一伺服电机22提供动力，通过齿轮进行动力传输，行走轮20与轨道槽4共同作用，为机器人行走提供轨迹与动力。

这里的机械臂5包括与第一行走机头3连接的机头23，机头23为水下控制中心。在机头23内设置有控制模块24、水下计算机25及电机驱动模块46，控制模块24通过脐带电缆45连接控制系统17，水下计算机25通过脐带电缆45连控制模块24。操作时，通过水上操作人员发送指令给水下计算机25，水下计算机25根据指令要求，具体操作各个设备动作，然后把各项数据反馈回来。

多个电机驱动模块46通过电缆连接控制模块24和水下计算机25，各个伺服电机通过电缆分别连接一个电机驱动模块46。

水下计算机25采用华北工控bis-6310防水计算机，

各个伺服电机可以采用suctech品牌abzm-sw水下直流步进伺服电机。

电机驱动模块46采用松下minasa5系列驱动器。

控制模块24采用三菱fx系列plc控制器。

另外，在机头23内还安装有第一伺服电机24，第一伺服电机24输出端与底座25连接，第一伺服电机24带动底座25周向旋转。在底座25上固定安装有第二伺服电机26，第二伺服电机26的输出端与第一提升臂27连接，通过第二伺服电机26的转动，可带动第一提升臂27绕第二伺服电机26的输出轴转动，实现第一提升臂27下端在空间上的上下移动。而第一提升臂27底端安装有第三伺服电机28，第三伺服电机28的输出端与基座29连接。通过第三伺服电机28可带动基座29周向转动。第二提升臂30一端与基座29铰接、另一端与摇摆臂31铰接，摇摆臂31上端伸出铰接点处铰接有第一液压缸32，第一液压缸32另一端与基座29铰接。通过第一液压缸32可带动摇摆臂31来回摇摆。

通过实现摇摆、转动，满足多角度移动与作业，连接方式均通过连杆作用实现，相对较为成熟。其中，机器臂与机头总伸长量与洞室最大高度相匹配。

在摇摆臂31底端设有螺纹套，摇摆臂31通过螺纹套与机械手连接。这样可实现通用性，机械手可根据需要进行拆卸与重装。在淤堵物表面杂物清理、板结物松散过程、松散物移动分别采用抓斗、破碎锤、反铲等形式的机械手。

具体的，这里的机械手包括连接头33，连接头33与摇摆臂31下端螺纹连接，连接头33下端左右铰接有半圆料斗34，两半圆料斗34外侧均铰接有第二液压缸35，第二液压缸35另一端与连接头33铰接。当第二液压缸35缩回时，两半圆料斗34张开，当第二液压缸35伸出时，两半圆料斗34闭合，形成球状。

所述半圆料斗34外壁设有破碎头36，破碎头36包括焊接部37，焊接部37一端设有连杆38，连杆38上固定有螺旋片39。由此在开始时，可先使两半圆料斗34闭合，通过启动第三伺服电机28，可使得第二提升臂30、摇摆臂31及两半圆料斗34转动，利用破碎头36进行旋转式破碎。

在机器人一侧设置有水下皮带机7，水下皮带机7与行走底座8连接，行走底座设置在深水泄洪洞底板9上。行走底座8上设有行走轮，行走轮通过伺服电机驱动，可在洞内水平移动。

所述水下皮带机7一侧设有行走吊斗10，行走吊斗10通过吊绳组11与第二行走机头12上的起升机构13连接，第二行走机头12（与第一行走机头3结构相同）设置在轨道槽4内。

这里的吊绳组11共四组，左右两两并排分布，每组吊绳上端均安装在绕线盘40，绕线盘40，每个绕线盘40通过第四伺服电机41驱动。左右的两组吊绳组11升降均保持同步进行。当四组吊绳组11长度相同时，可实现行走吊斗10的水平移动；当左端或右端的绕线盘40绕线时，行走吊斗10一端翘起，可进行卸料。

所述升降平台14为平板状，在机器人、水下皮带机等通过升降平台14下放并布置完成后，在升降平台14周围布置栏板，在升降平台14内设斜撑板42。斜撑板42的斜面较低一端远离行走吊斗10，斜撑板42的斜面较高一端带有缺口43，缺口43宽度大于行走吊斗10宽度。这样可使得倒入升降平台14的淤堵物流向升降平台14另一侧，避免在一处堆积导致不平衡。

这里，由于水下皮带机7、行走吊斗10来回移动比较频繁，为了避免撞击，在水下皮带机7、行走吊斗10的左右伸出端设置压力传感器，当压力传感器与前面或后面的障碍物接触并形成一定压力时，反馈至机头23，从而使得水下皮带机7或第二行走机头12及时停动刹车。

压力传感器与信号采集模块连接，信号采集卡连接控制模块24；

压力传感器采用意法半导体lps33hw压力传感器。

信号采集模块采用芯片icl7135。信号采集模块安装在水下皮带机机壳一侧的密封盒里。

这里由于水下皮带机7、行走吊斗10均会输入淤堵物，可在上段皮带下部和行吊绳组11上安装重力传感器，可对淤堵物的量进行检测，并及时控制水下皮带机7、行走吊斗10的启停及转运。

重力传感器采用cg-5石英传感器，

重力传感器连接信号采集芯片，信号采集芯片采用a68ada/d转换模块，

皮带机的信号采集芯片安装在皮带机机壳一侧的密封盒里。行走吊斗10的信号采集芯片安装在吊斗的一侧的密封盒里。

另外，为了方便观察，在机器人上合适地方安装水下摄像机（图中未画出），水下摄像机带有强光照明。用于操作人员一目了然。

水下摄像机采用海康威视ds-2xc6225f-l型摄像机。

水下摄像机与驱动模块连接，驱动模块与机器人上的控制模块24、水下计算机25连接。

上述装置中的驱动装置均需要进行防水处理，避免漏电。

工作原理及过程：

1）、第一行走机头3、将机械臂5、机械手6安装到位，并放置在升降平台14上，通过卡扣形成固定或者皮带绑扎形式固定，利用吊机16下放至水下，要求下放至水下、且位于洞顶下方一定距离。

2）、完成机器人水下人工松绑与安装，将第一行走机头3安装至轨道槽4内。

3）、通过控制系统17通电，使得第一行走机头3在轨道槽4内来回行走，通过视频监控系统采集水下淤堵场景信息，供水上操作人员分析。

4）、与机器人下放类似，依次完成水下皮带机7、行走吊斗10带的下放。

5）、将升降平台14四周固定栏板，在升降平台14上放置斜撑板42。改造成为具有收集功能的平台。在升降平台14一侧设置缺口，可便于倾倒。

6）、通过第一行走机头3将机械手6移动到位；水下皮带机7移动就位，行走吊斗10紧挨水下皮带机7右侧。

7）、通过第二伺服电机26的转动及第一液压缸32的伸缩调整机械臂5整体的长度，与淤堵物堆积高度相适应。启动第二液压缸35，将两半圆料斗34关闭；启动第三伺服电机28，使得机械手6旋转；这样破碎头36在旋转过程中可对淤堵物进行一定的破碎，方便后期抓取。

8）、在完成局部区域的破碎后，第二液压缸35收缩，两半圆料斗34张开，机械臂5进行相应动作，实现对淤堵物的抓取，然后第二液压缸35伸出，两半圆料斗34闭合，并通过机械臂5动作，将两半圆料斗34移至水下皮带机7，两半圆料斗34张开，将淤堵物释放到水下皮带机7上。

9）、当水下皮带机7上的淤堵物堆积到一定重量后，皮带电机驱动水下皮带机7缓慢转动，淤堵物在皮带末端时掉落到行走吊斗10中。皮带停动继续接料。

10）、当行走吊斗10中的淤堵物达到一定重量后，第二行走机头12带动行走吊斗10移动至升降平台14处，左侧的吊绳组11卷起部分，使得行走吊斗10左侧翘起翻转，从而将行走吊斗10内的淤堵物倒入升降平台14内。随后行走吊斗10返回到水下皮带机7处继续接料。

11）、重复上述6）-10）的动作，直至淤堵物完成清理，在此过程中，升降平台14可通过吊机16间隔上提出水面，通过汽车吊运至岸上，将升降平台14中的淤堵物清除后返回原位。

上述过程中，每清理一处的淤堵物2，第一行走机头3会向前移动一小段距离，水下皮带机7紧随第一行走机头3向靠近闸门1处移动相同距离，满足定点传输。而行走吊斗10则往返移动。