用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人及作业流程pdf

  本发明公开了用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人及作业流程，包括地面操作端、光纤线缆以及机器人主体；所述机器人主体通过光纤线缆连接机器人主体；地面操作端包括控制平台、遥控手柄，经过控制平台实时显示机器人的各种状态和探测信息并通过遥控手柄进行、运动控制；可在充满溶液和泥浆的地底洞穴等复杂环境中作业，实现运动控制、洞穴探测等任务。

  (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 CN 113602047 B (45)授权公告日 2022.04.15 (21)申请号 5.3 (51)Int.Cl. B60F 3/00 (2006.01) (22)申请日 2021.08.04 G05D 1/02 (2020.01) (65)同一申请的已公布的文献号 (56)对比文件 申请公布号 CN 113602047 A CN 111687823 A,2020.09.22 (43)申请公布日 2021.11.05 CN 108045530 A,2018.05.18 (73)专利权人 哈尔滨工程大学 CN 104669255 A,2015.06.03 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南 CN 101784435 A,2010.07.21 通大街145号 KR A,2014.09.18 (72)发明人 张国成张力文孙玉山张家利 审查员 吕乐乐 祁彧关宏升刘继骁王旭 徐子豪 (74)专利代理机构 成都方圆聿联专利代理事务 所(普通合伙) 51241 代理人 邓永红 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 (54)发明名称 用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人 及作业流程 (57)摘要 本发明公开了用于地底洞穴探测的地洞两 栖探测机器人及作业流程，包括地面操作端、光 纤线缆以及机器人主体；所述机器人主体通过光 纤线缆连接机器人主体；地面操作端包括控制平 台、遥控手柄，经过控制平台实时显示机器人的 各种状态和探测信息并通过遥控手柄进行、运动 控制；可在充满溶液和泥浆的地底洞穴等复杂环 境中作业，实现运动控制、洞穴探测等任务。 B 7 4 0 2 0 6 3 1 1 N C CN 113602047 B 权利要求书 1/2页 1.用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人，其特征是，包括地面操作端、光纤线缆 以及机器人主体；所述机器人主体通过光纤线缆连接地面操作端； 地面操作端包括控制平台、遥控手柄，经过控制平台实时显示机器人的各种状态和探 测信息并通过遥控手柄进行运动控制； 所述机器人主体包括：艏段、中段、艉段、两个万向节（8）以及机器人的推进系统； 所述艏段连接中段，所述中段连接艉段；两个万向节分别位于艏段槽道推进器模块后 和中段两个能源舱段之间，通过万向节连接可使机器人主体具备一定弯曲能力，从而让机 器人能够越来越好的在泥浆等复杂环境下运动；机器人主体的艏段和艉段分别布置一组槽道推 进器； 机器人的推进系统包括螺旋推进器和槽道推进器，螺旋推进器为主推进器，槽道推进 器为辅助推进器，其中，螺旋推进器首尾各布置一个，通过首位两个螺旋推进器对转的形式 实现前进、后退运动，艉部为常规螺旋推进器，推进器轴向和机器人中纵剖面平行；艏部为 基于螺旋推进器的矢量推进方式，包括直流电机和两个舵机，所述直流电机带动推进器轴 向转动，两个舵机负责改变螺旋推进器的转向，通过正交布置两个舵机，实现正交方向上的 组合运动，以此来实现矢量推进；槽道推进器包括垂直推进器（12）和侧推器，用于辅助机器人 主体进行定深、定向、转向等控制； 艏段包括矢量螺旋推进器（1）、槽道推进器，环扫声纳（7）、水下摄像头、探测传感器以 及光纤罗经、多普勒速度仪（5）、导航传感器；所述中段包括锂电池（9）以及控制板、电源板； 艉段主要是常规的艉段螺旋推进器（10）、槽道推进器（1）以及用于连接光纤线缆的接口； 所述导航传感器包括光纤罗经、DVL、深度计，其中DVL布置在机器人主体艏段的底部， 其余传感器置于艏段舱内；探测传感器包括环扫声纳、水下摄像头（4）和探照灯（3），用于洞 穴内探测任务； 环扫声纳布置在艏段与中段的连接处，此处连接为金属框架结构，以便环扫声纳的声 波可以不受遮挡，其布置方向与机器人主体的中轴平行；两个水下摄像头和探照灯对称布 置于机器人主体艏段的左右两侧，探照灯（3）平行布置在水下摄像头旁边，保证水下摄像头 的视野内有足够的照明。 2.一种如权利要求1所述的用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人的作业流程，其 特征是，包括以下步骤： S1、布放，将光纤线缆连接到所述机器人主体上，然后把机器人主体放入钻井通道洞 口，同时释放光纤线、入洞，通过机器人主体的艏部矢量螺旋推进器钻入洞口，配合艉部螺旋推进器在洞 口泥浆中运动，控制机器人通过洞口进入洞穴内部； S3、探测，打开机器人主体的槽道推进器，辅助机器人进行定深、定向控制，控制机器人 沿着特定路径，从洞穴的一端航行到另一端，并通过环扫声纳和水下摄像头对洞穴不断进 行探测； S4、数据处理，将探测到的信息通过光纤线缆传回地面操作端，地面操作端通过对声纳 测得数据的分析处理得到洞穴的边界信息，通过三维建模对洞穴进行模型重建，进而得到 洞穴的容积、构造等信息； S5、出洞，机器人主体执行完探测任务后，根据机器人主体自身的定位信息操控机器人 2 2 CN 113602047 B 权利要求书 2/2页 航行到出洞口附近，通过摄像头捕捉的画面寻找出洞口处布放的光源引导物，利用光学引 导进入出洞口； S6、回收，通过螺旋推进器穿过洞口返回地面，卸下光纤线缆，将机器人主体与光纤线页 用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人及作业流程 技术领域 [0001] 本发明涉及机器人领域，特别是用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人及作业 流程。 背景技术 [0002] 随着科学技术的发展，各行各业逐渐使用机器人来代替人员进行各种危险环境下 的作业，机器人在石油天然气等矿产资源的开发中也有着逐渐重要的作用。 [0003] 在油气田的开发过程中，对地底油气洞穴的探测有着十分重要的意义，一方面探 测地底洞穴的边界、容积等信息对于评估油气田的价值十分重要；另一方面，掌握洞穴的构 造等信息后，对于后续的开采及开采后的处理工作也十分有益。 [0004] 在对地底洞穴的探测过程中，机器人一般借助油气开采中的钻井通道进入洞穴 内，这些钻井通道大部分布满泥浆等粘稠成分，而洞穴内又充满石油、天然气或是开采中注 入的各种溶液，机器人的工作环境很复杂。常规的机器人很难在泥浆中运动，而具备泥浆 中运动能力的机器人又往往难以在溶液中进行自由运动，目前还不存在具备泥浆、液体两 栖环境中运动，可对地底洞穴全面、完整探测功能的机器人。 [0005] 综上所述，现有的探测技术及探测设备在复杂环境中做全面、完整探测方面存 在局限性。为此，需研制一种具备在泥浆及溶液中运动能力，可进行探测作业的地洞两栖探 测机器人。 发明内容 [0006] 为解决现存技术中存在的问题，本发明提供了用于地底洞穴探测的地洞两栖探测 机器人及作业流程具备在泥浆以及溶液两栖环境中运动的能力，可在充满溶液和泥浆的地 底洞穴等复杂环境中作业，实现运动控制、洞穴探测等任务。 [0007] 本发明提供的技术方案为：用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人，包括地面 操作端、光纤线缆以及机器人主体；机器人主体通过光纤线缆连接机器人主体； [0008] 地面操作端包括控制平台、遥控手柄，经过控制平台实时显示机器人的各种状态 和探测信息并通过遥控手柄进行运动控制。 [0009] 优选地，机器人主体包括：艏段、中段、艉段、两个万向节以及机器人的推进系统； [0010] 艏段连接中段，所述中段连接艉段；两个万向节分别位于艏段槽道推进器模块后 和中段两个能源舱段之间，通过万向节连接可使机器人主体具备一定弯曲能力，从而让机 器人能够越来越好的在泥浆等复杂环境下运动；机器人主体的艏段和艉段分别布置一组槽道推 进器； [0011] 机器人的推进系统包括螺旋推进器和槽道推进器，螺旋推进器为主推进器，槽道 推进器为辅助推进器，其中，螺旋推进器首尾各布置一个，通过首位两个螺旋推进器对转的 形式实现前进、后退运动，艉部为常规螺旋推进器，推进器轴向和机器人中纵剖面平行；艏 部为基于螺旋推进器的矢量推进方式，包括直流电机和两个舵机，所述直流电机带动推进 4 4 CN 113602047 B 说明书 2/4页 器轴向转动，两个舵机负责改变螺旋推进器的转向，通过正交布置两个舵机，实现正交方向 上的组合运动，以此来实现矢量推进；槽道推进器包括垂直推进器和侧推器，用于辅助机器人 主体进行定深、定向、转向等控制。 [0012] 优选地，艏段包括矢量螺旋推进器、槽道推进器，环扫声纳、水下摄像头、探测传感 器以及光纤罗经、多普勒速度仪、导航传感器；所述中段包括锂电池以及控制板、电源板；艉 段为常规的艉段螺旋推进器、槽道推进器或用于连接光纤线] 优选地，导航定位传感器包括光纤罗经、DVL、深度计，其中DVL布置在机器人主体 艏段的底部，其余传感器置于艏段舱内；探测传感器包括环扫声纳、水下摄像头和探照灯， 用于洞穴内探测任务。 [0014] 优选地，环扫声纳布置在艏段与中段的连接处，此处连接为金属框架结构，以便环 扫声纳的声波可以不受遮挡，其布置方向与机器人主体的中轴平行；两个水下摄像头和探 照灯对称布置于机器人主体艏段的左右两侧，探照灯平行布置在水下摄像头旁边，保证水 下摄像头的视野内有足够的照明。 [0015] 优选地，用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人的作业流程，包括以下步骤： [0016] S1、布放，将光纤线缆连接到所述机器人主体上，然后把机器人主体放入钻井通道 洞口，同时释放光纤线、入洞，通过机器人主体的艏部矢量螺旋推进器钻入洞口，配合艉部螺旋推进器 在洞口泥浆中运动，控制机器人通过洞口进入洞穴内部； [0018] S3、探测，打开机器人主体的槽道推进器，辅助机器人进行定深、定向控制，控制机 器人沿着特定路径，从洞穴的一端航行到另一端，并通过环扫声纳和水下摄像头对洞穴不 断进行探测； [0019] S4、数据处理，将探测到的信息通过光纤线缆传回地面操作端，地面操作端通过对 声纳测得数据的分析处理得到洞穴的边界信息，通过三维建模对洞穴进行模型重建，进而 得到洞穴的容积、构造等信息； [0020] S5、出洞，机器人主体执行完探测任务后，根据机器人主体自身的定位信息操控机 器人航行到出洞口附近，通过摄像头捕捉的画面寻找出洞口处布放的光源引导物，利用光 学引导进入出洞口； [0021] S6、回收，通过螺旋推进器穿过洞口返回地面，卸下光纤线缆，将机器人主体与光 纤线] 本发明用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人及作业流程的有益效果为： [0023] 可通过地面操作端进行远程遥控，具备在泥浆以及溶液两栖环境中运动的能力， 可在地底洞穴等复杂环境中作业，实现运动控制、洞穴探测等任务。 附图说明 [0024] 图1为机器人主体正视图； [0025] 图2为机器人主体仰视图； [0026] 图3为机器人系统组成图。 [0027] 附图标记： [0028] 1‑艏部矢量螺旋推进器，2‑舵机，3‑探照灯，4‑水下摄像头，5‑多普勒速度仪，6‑槽 5 5 CN 113602047 B 说明书 3/4页 道推进器，7‑环扫声纳，8‑万向节，9‑电池，10‑艉部螺旋推进器，11‑线‑垂直推进 器。 具体实施方式 [0029] 下面对本发明的具体实施方式来进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发 明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲， 只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易 见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。 [0030] 一种用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人，包括地面操作端、光纤线缆以及 机器人主体，其主要由控制管理系统、能源系统、推进系统、导航定位系统、探测系统和地面监 控系统组成。 [0031] 地面操作端由控制平台、遥控手柄等组成。经过控制平台实时显示机器人的各种 状态和探测信息并通过遥控手柄进行运动控制。 [0032] 光纤线缆大多数都用在水下机器人主体部分与地面操作端之间的通信。通过光纤线缆 将机器人主体的自身状态及传感器信息传递给地面操作端，地面操作端通过对信息进行分 析决策再将控制命令通过光纤线缆传递给水下机器人主体，进而实现对水下机器人主体的 控制。 [0033] 机器人主体采用圆柱形设计，细长圆柱体结构可以极大地减小阻力，提高航行效 率。机器人主体由耐压壳及相应的结构框架构成。耐压壳选用耐腐蚀、重量轻和强度高的 钛合金材料加工而成，结构框架选用铝合金材料和聚丙烯材料，通过种种工艺加工而成。 [0034] 机器人主体大致上可以分为三部分：艏段、中段、艉段。其中艏段最重要的包含矢量螺旋推进 器、槽道推进器，环扫声纳、水下摄像头等探测设备和光纤罗经、多普勒速度仪等导航传 感器；中段主要为能源舱段，包括锂电池以及控制板、电源板等各种板卡，锂离子电池布置 在下半部分，各种板卡等布置在上半部分；艉段主要是常规的螺旋推进器、槽道推进器以及 用于连接光纤线] 机器人主体设置两个万向节，分别位于艏段槽道推进器模块后和中段两个能源舱 段之间，通过万向节连接可使机器人主体具备一定弯曲能力，从而让机器人能够越来越好的在 泥浆等复杂环境下运动。 [0036] 导航定位传感器最重要的包含光纤罗经、DVL、深度计，其中DVL布置在机器人主体艏段 的底部，其余传感器置于艏段舱内。 [0037] 探测传感器最重要的包含360°环扫声纳、水下摄像头以及探照灯，用于洞穴内探测任 务。其中，环扫声纳布置在机器人主体艏段与中段的连接处，此处连接为金属框架结构，以 便环扫声纳的声波可以不受遮挡，其布置方向与机器人主体的中轴平行；两个水下摄像头 和探照灯对称布置于机器人主体艏段的左右两侧，探照灯平行布置在摄像头旁边，保证水 下摄像头的视野内有足够的照明。 [0038] 机器人的推进系统包括螺旋推进器和槽道推进器，螺旋推进器为主推进器，槽道 推进器为辅助推进器。其中，螺旋推进器首尾各布置一个，通过首位两个螺旋推进器对转的 形式实现前进、后退运动。艉部为常规螺旋推进器，推进器轴向和机器人中纵剖面平行；艏 部为基于螺旋推进器的矢量推进方式，由一个直流电机和两个舵机组成，直流电机带动推 6 6 CN 113602047 B 说明书 4/4页 进器轴向转动，两个舵机负责改变螺旋推进器的转向，通过正交布置两个舵机，实现正交方 向上的组合运动，以此来实现矢量推进；槽道推进器包含垂直推进器和侧推器，用于辅助机器 人进行定深、定向、转向等控制，机器人主体的艏段和艉段各布置一组槽道推进器。 [0039] 用于地底洞穴探测的地洞两栖探测机器人其典型作业流程，包括以下步骤： [0040] S1、布放，将光纤线缆连接到所述机器人主体上，然后把机器人主体放入钻井通道 洞口，同时释放线、入洞，通过机器人的艏部矢量螺旋推进器钻入洞口，配合艉部螺旋推进器在洞 口泥浆中运动，控制机器人通过洞口进入洞穴内部； [0042] S3、探测，打开机器人的槽道推进器，辅助机器人进行定深、定向控制，控制机器人 沿着特定路径，从洞穴的一端航行到另一端，并通过环扫声纳和水下摄像头对洞穴不断进 行探测； [0043] S4、数据处理，将探测到的信息通过光纤线缆传回地面操作端，地面操作端通过对 声纳测得数据的分析处理得到洞穴的边界信息，通过三维建模对洞穴进行模型重建，进而 得到洞穴的容积、构造等信息； [0044] S5、出洞，机器人执行完探测任务后，根据机器人自身的定位信息操控机器人航行 到出洞口附近，通过摄像头捕捉的画面寻找出洞口处布放的光源引导物，利用光学引导进 入出洞口； [0045] S6、回收，通过螺旋推进器穿过洞口返回地面，卸下光纤线缆，将机器人主体与线 图3 8 8

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