海上风电机组塔筒水下除锈机器人

1.本发明涉及塔筒除锈技术领域，具体涉及海上风电机组塔筒水下除锈机器人。


背景技术：

2.海上风电在绿色能源领域具有极大的效率和发展潜力，面对海上严重的盐雾腐蚀以及海浪风暴等严峻的自然灾害，会对海上风电机组的使用寿命构成极大的威胁。针对该问题，许多新技术得以开发。当前市面上主要采用高强度的复合钢作为材料、在风电机组表层叠涂防腐涂层以及牺牲阳极阴极保护这三种方式；对于已经生锈的部位，由专业运维船载人至相应海域进行维修。这三种方式耗时耗力，并且不能够及时便捷高效地解决海上风电机组塔筒生锈的问题。参考由guedes soares和garbatov所提出的腐蚀保护非线性模型可得，现有腐蚀保护系统在第一阶段即前五年对结构保护有明显效果，第二阶段的4-5年，腐蚀保护系统会逐渐失效，此时腐蚀最为严重快速，同时会有大量海洋中的腐蚀物微生物水生物附着在钢板表面，钢板变厚，第三阶段腐蚀速度减缓、基本到达风机的使用寿命。因此，需要海上风电机组塔筒水下除锈机器人解决上述问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供海上风电机组塔筒水下除锈机器人，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷。
4.海上风电机组塔筒水下除锈机器人，包括底板，所述底板的上端转动连接有旋转底盘，所述旋转底盘上安装有舵机一，所述舵机一的输出端连接在底板上并驱动旋转底盘转动，且所述旋转底盘的上端安装有支撑臂，所述支撑臂的末端安装有摄像头，所述底板的底侧对称安装有若干个能够驱动底板移动的机械腿，所述底板上对称安装舵机九，所述舵机九输出端连接有旋转台，所述旋转台上均安装有机械臂，所述机械臂的末端分别安装有涂料刷和磨砂轮，所述涂料刷上安装有涂料喷头，所述涂料喷头通过软管连接在安装于底板下侧的涂料容器上。
5.优选的，所述支撑臂包括安装在旋转底盘上的舵机一，所述舵机一输出端连接有旋转臂一，所述旋转臂一的末端转动连接有旋转臂二，所述旋转臂二的末端转动连接有支架，所述旋转臂二的两侧分别连接有舵机二和舵机三，所述舵机二和舵机三分别驱动旋转臂二和机架的转动，所述机架的前端设有防撞钳口。
6.优选的，所述机械腿包括对称安装在底板下侧的舵机四，所述舵机四的一端连接有支撑板，所述舵机四的输出端连接有连接件所述连接件的一端连接在舵机五的输出端上，所述舵机五安装有旋旋转腿一，所述旋转腿一的一侧安装有舵机六，所述舵机六的输出端连接有旋转腿二，所述旋转腿二的末端安装有电磁铁，所述机械臂从支撑板的镂空处伸出。
7.优选的，所述机械臂包括安装在旋转台上的机械臂一，所述机械臂一的一端转动连接在舵机七，所述舵机七安装在机械臂二上，所述机械臂二的一端安装有舵机八，所述舵
机八的输出端分别连接有涂料刷和磨砂轮。
8.优选的，所述底板的底侧安装有驱动整个装置的电池仓。
9.本发明的优点在于：本装置通过机械腿移动，并通过机械腿末端的电磁铁通电后产生磁力吸附在塔筒上，随后通过摄像头用于将锈蚀的信息传递至主控板，并通过支撑臂调整摄像头的位置，接着通过机械臂带动磨砂轮对锈蚀位置打磨，机械臂带动涂料刷将涂料喷头喷出的防锈涂料刷在套筒上进行防锈操作，从而提高海上除锈效率和质量，减少维护成本。
附图说明
10.图1、图2为本发明整体不同视角的结构示意图。
11.图3为本发明支撑臂的结构示意图。
12.图4为本发明机械臂与底板装配的结构示意图。
13.图5为本发明的工作流程图。
14.其中：1-底板；2-旋转底盘；3-舵机一；4-支撑臂；5-摄像头；6-机械腿；7-旋转台；8-机械臂；9-涂料刷；10-磨砂轮；11-涂料喷头；12-涂料容器；13-旋转臂一；14-旋转臂二；15-支架；16-舵机二；17-舵机三；18-防撞钳口；19-舵机四；20-连接件；21-舵机五；22-旋旋转腿一；23-舵机六；24-旋转腿二；25-电磁铁；26-机械臂一；27-舵机七；28-机械臂二；29-舵机八；30-电池仓；31-舵机九；32-支撑板。
具体实施方式
15.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
16.如图1至图5所示，海上风电机组塔筒水下除锈机器人，包括底板1，所述底板1的上端转动连接有旋转底盘2，所述旋转底盘2上安装有舵机一3，所述舵机一3的输出端连接在底板1上并驱动旋转底盘2转动，且所述旋转底盘2的上端安装有支撑臂4，所述支撑臂4的末端安装有摄像头5，所述底板1的底侧对称安装有若干个能够驱动底板1移动的机械腿6，所述底板1上对称安装舵机九31，所述舵机九31输出端连接有旋转台7，所述旋转台7上均安装有机械臂8，所述机械臂8的末端分别安装有涂料刷9和磨砂轮10，所述涂料刷9上安装有涂料喷头11，所述涂料喷头11通过软管连接在安装于底板1下侧的涂料容器12上。所述底板1上安装有主控制板，所述主控制板采用单片机at89c51作为主控芯片，根据感知层的信息促使海上风电机组塔筒水下除锈机器人在塔筒表面吸附式移动并进行除锈等工作，利用传统图像处理方法surf与ransac算法结合可对这些信息进行特征点提取、图像识别、算法图片拼接与分析，识别判断辅助机器在水下的位置、与锈蚀之间距离，进而更灵活地再水下移动。再由机器视觉智能识别技术最新的深度学习目标检测算法yolov5判断预估部位是否真的存在锈蚀。若存在锈蚀则自动触发控制板中的除锈系统；若没有识别检测到锈蚀，则传递信息至主控制端口，控制机器人运动至下个预估部位继续识别检测。采用的图像数据处理测量机器深度时，位于机器人前侧的位置传感器通过压电陶瓷换能器产生超声波，计时从发出到接受到反射波，将数据传到控制板输入端，依据时间测距法即可计算出机器高度，再进行操作。若检测不到锈蚀，机器移动到下一个预估生锈部位继续检测。若存在锈蚀，则触
发从控制板的除锈系统。预采用基于aqua-fi的嵌入式linux系统平台，对该水下除锈机器人实现远程监控与操作，该远程监控系统由监控终端与监控网络平台组成。硬件采用samsung公司的32位arm9tdmi微处理器，该处理器速度快，主频高，软件采用嵌入式linux操作系统。工作时，采用摄像头来实现对现场视频图像的采集，使用vide041inux的编程接口,防止图像视频过大，通过以预测技术为基础的无损压缩算法对文件实现压缩。再而通过aqua-fi水下无线系统，利用激光将数据传输至岸上，即可实现对于水下工作的远程实时监控。
17.在本实施例中，所述支撑臂4包括安装在旋转底盘2上的舵机一3，所述舵机一3输出端连接有旋转臂一13，所述旋转臂一13的末端转动连接有旋转臂二14，所述旋转臂二14的末端转动连接有支架15，所述旋转臂二14的两侧分别连接有舵机二16和舵机三17，所述舵机二16和舵机三17分别驱动旋转臂二和机架15的转动，所述机架15的前端设有防撞钳口18。
18.在本实施例中，所述机械腿6包括对称安装在底板1下侧的舵机四19，所述舵机四19的一端连接有支撑板32，所述舵机四19的输出端连接有连接件20所述连接件20的一端连接在舵机五21的输出端上，所述舵机五21安装有旋旋转腿一22，所述旋转腿一22的一侧安装有舵机六23，所述舵机六23的输出端连接有旋转腿二24，所述旋转腿二24的末端安装有电磁铁25，所述机械臂8从支撑板32的镂空处伸出。每条机械腿6通过舵机四19、舵机五21和舵机六23有三个自由度，用于塔筒攀爬工作，旋转腿二24末端呈锥形，顶端安装有电磁铁25，通过通断电的方式使得机器人能够在塔筒上稳定运动，灵活吸附，可采用吸附力为2500n的电磁铁。机器移动时，采用三角步态的强耦合姿态运动方式。机器人一侧的不相邻的两条以及对侧中间一条腿为一组，共两组，以三角形支架结构交替前进。
19.在本实施例中，所述机械臂8包括安装在旋转台7上的机械臂一26，所述机械臂一26的一端转动连接在舵机七27，所述舵机七27安装在机械臂二28上，所述机械臂二28的一端安装有舵机八29，所述舵机八29的输出端分别连接有涂料刷9和磨砂轮10。工作时，收缩在机器底部的磨砂轮10转出，通过传感器调整磨砂轮10与塔筒壁之间的距离，使得磨砂轮10紧贴塔筒壁。通电后，磨砂轮10随机械臂8摆动打磨塔筒上锈蚀。打磨结束，涂料刷9端口的涂料喷头11喷射出高性能环氧树脂涂料，涂料刷9按照规定路线移动涂抹该防腐涂料，实现除锈以及预防一体化的工作。为实现曲面的精准高效打磨，特采用3d传感器、高柔性智能力控打磨技术与离线恒力控制相结合的精准除锈系统。首先通过机器计算机视觉扫描锈蚀表面，建立待打磨部位的彩色点云模型，经ransac平面拟合和区域分割的方法获得模型上点的坐标数据。智能力控打磨技术主要依靠内置传感器、摄像头实时监测压力、自身姿势等信息，搭配力控打磨工具实时调整打磨压力，保证打磨的高精度、高质量和高效率。高柔性的力控可以更加灵活地使用机械臂实现曲面精准的打磨。与人工打磨相比节约时间以及工作成本。通过robotart离线编程，构建刚度模型、神经网络接触模型和概率动力学模型以保持恒定的跟踪压力，此外，当重防腐涂料用完时，触发传感器传递信息到控制层，操控机器返回到水面并显示信号灯。
20.在本实施例中，所述底板1的底侧安装有驱动整个装置的电池仓30。电池仓30内的蓄电池给整个机器人提供电源，由于单片机结构复杂，没有充分体现。同样的，电源用传统的电池模型代替。实际电源容量远大于电池容量。可选用7.4v/2.6ah的大容量三元锂电池。
21.在本实施例中，根据海上风电机组塔筒除锈检测机器人对重量以及在海上工作的要求，可以通过对机械臂8和机械腿6进行加工处理，减少其质量，更有利于电磁铁对塔筒的吸附，减少海上强风作用对机器人的受力面积，使机器人更加适应海上除锈的恶劣环境，此外，在海上风电机组塔筒除锈检测机器人主体部位前端有一位置传感器，可用于采用的图像数据处理测量机器深度，通过压电陶瓷换能器产生超声波，计时从发出到接受到反射波，将数据传到控制板输入端，依据时间测距法即可计算出机器高度，再进行操作。本项目的海上风电机组塔筒除锈检测机器人的防水主要采用将各部件、连接线防水与整体密封性防水相结合，采用动静密封的方式，保证电机等器件动力的有效性。动密封使用o型圈与聚四氟乙烯滑环的密封，结构简单、装卸方便、耐磨、价格便宜、适用范围广的设计要求。
22.在本实施例中，以at89c51单片机为核心控制系统固定路线匀速螺旋式下潜。通过卡尔曼滤波算法对铁锈的预定位，结合视觉图像识别技术，使该机器人到达指定位置后停止前进，并对铁锈部分进行除锈与预防工作。在工作完成后继续按规定路线行驶。在该机器人行驶到塔底时，其会围绕塔底一周，再由塔底按原方式向上行驶。这种移动方式不仅可以对已经被处理过的塔壁进行二次检测，是否还存在锈蚀，也可以检验确保防腐涂料的覆盖的完整性。如果在上升途中遇到防腐涂料喷涂不完整的地方，再次进行防腐涂料喷涂。海上风电机组塔筒水下除锈机器人通过视觉成像与超声波探测仪对塔壁铁锈部位进行精准定位，超声波探测仪的信号会随着机器人与铁锈之间距离的变化而变化。超声波探测仪在无铁锈的塔壁与已经出现铁锈的塔壁之间的信号会产生明显变化，产生信号的强弱差。通过信号比较器比较出信号较强的方向。经单片机处理后，输出控制信号给电机驱动电路,来控制电机的驱动，以实现机器人的智能控制。
23.本装置通过机械腿6移动，并通过机械腿6末端的电磁铁25通电后产生磁力吸附在塔筒上，随后通过摄像头5用于将锈蚀的信息传递至主控板，并通过支撑臂4调整摄像头5的位置，接着通过机械臂6带动磨砂轮10对锈蚀位置打磨，机械臂8带动涂料刷9将涂料喷头11喷出的防锈涂料刷在套筒上进行防锈操作，从而提高海上除锈效率和质量，减少维护成本。
24.由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。