程陽銳 潘洪月 宛良朋 胡洋

摘要：

針對(duì)深水孔洞清淤的現(xiàn)實(shí)需求，即清淤機(jī)器人需具備水下清淤、行走、定位、動(dòng)力及智能控制等基本功能，通過對(duì)清淤環(huán)境的分析，設(shè)計(jì)一款具備閘門前淤積物清理的智能化深水孔洞清淤機(jī)器人。根據(jù)清淤機(jī)器人作業(yè)中的難點(diǎn)，對(duì)布放回收技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，包括上平臺(tái)、下平臺(tái)及吊放絞車等，實(shí)現(xiàn)清淤機(jī)器人的布放、入洞、動(dòng)力供給和回收等功能。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)清淤機(jī)器人的直線行走性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：清淤機(jī)器人具有技術(shù)可行性和作業(yè)能力。

關(guān)鍵詞：

清淤機(jī)器人； 水庫淤積； 孔洞清淤； 布放回收； 智能控制

中圖法分類號(hào)：TV851

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.008

文章編號(hào)：1006-0081（2023）05-0050-05

0 引 言

水庫是調(diào)控水資源時(shí)空分布、優(yōu)化水資源配置的重要工程舉措，是江河防洪工程體系的重要組成部分、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可替代的基礎(chǔ)設(shè)施與生態(tài)環(huán)境改善不可分割的保障系統(tǒng)。水庫關(guān)系地區(qū)防洪安全、供水安全與糧食安全，具有很強(qiáng)的公益性、基礎(chǔ)性以及戰(zhàn)略性。截止2020年中國(guó)已建成各類水庫98 566座［1］。但這些水庫大多數(shù)興建于20世紀(jì)50～70年代，沖排沙設(shè)施不足，經(jīng)數(shù)十年運(yùn)行普遍存在不同程度的淤積問題［2-3］。水工閘門作為水庫控制水流的主要設(shè)備，是水利工程的關(guān)鍵組成部分之一。

閘門啟閉運(yùn)行正常與否，不僅直接關(guān)系到水庫工程合理調(diào)度水資源的效率，還關(guān)系到工程運(yùn)行安全［4］。由于閘門長(zhǎng)時(shí)間于水下工作，難以定期動(dòng)閘沖沙，泥沙不斷在閘前沉積。受泥沙側(cè)壓力作用，閘門后期啟閉力數(shù)倍增加，甚至常出現(xiàn)無法開啟的情況［5］。例如：陜西省王瑤水庫無溢洪道，泄洪洞為工程唯一的泄洪設(shè)施，自1972年運(yùn)行以來泄洪洞頻繁堵塞，給工程安全運(yùn)行帶來巨大安全隱患，威脅著下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全［6］。2013年向家壩水電站壩后廠房尾水檢修閘門淤積［2］，2019年四川龍?zhí)端娬敬髩涡购殚l無法開啟［2］，鴨河口水庫循環(huán)水泵站進(jìn)口淤積了大石塊、碎石、泥沙等雜物，清淤深度約18 m，工程耗時(shí)8個(gè)月，清淤約1 800 m3，潛水員下水作業(yè)1 286次［7］。定期對(duì)閘門前的淤積物進(jìn)行清理，對(duì)確保水庫安全具有重要意義，是當(dāng)前諸多水庫的迫切需求。

本文針對(duì)深水孔洞清淤需求，設(shè)計(jì)了一款具備水下清淤、行走、定位、動(dòng)力及智能控制等功能的水下清淤機(jī)器人，對(duì)其布放回收技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工程應(yīng)用驗(yàn)證了相關(guān)功能和性能。

1 深水孔洞清淤機(jī)器人設(shè)計(jì)

針對(duì)水工閘門的深水、長(zhǎng)孔洞（深孔）等典型特征，根據(jù)深水孔洞清淤需求，設(shè)計(jì)一款可用于水深200 m、具備閘門前淤積物清理的智能化深水孔洞清淤機(jī)器人，解決當(dāng)前深水孔洞清淤的難題。

1.1 設(shè)計(jì)思路及原則

借鑒深海采礦裝備作業(yè)技術(shù)，水下深孔清淤機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路為：① 需適應(yīng)水下清淤作業(yè)的環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體無損傷作業(yè)。② 需滿足整機(jī)組裝、拆卸方便，便于運(yùn)輸、維修的要求。③ 要求整機(jī)重量小、作業(yè)流程簡(jiǎn)單、智能化程度高，且安全可靠。有關(guān)水下清淤作業(yè)環(huán)境分析如下。

（1） 閘門前作業(yè)環(huán)境分析。

閘門一般處于關(guān)閉狀態(tài)，清淤作業(yè)期間為靜水。閘門前一般有一段長(zhǎng)度不等的孔洞，孔越深相對(duì)作業(yè)難度越大。如小浪底排沙洞進(jìn)水口寬3.5 m，高6.3 m，頂部為拱形［8］，洞口距離閘門約20 m?？锥磧?nèi)的淤堵一般分為3種（圖1）：部分淤積；全淤積，即孔內(nèi)淤滿但未與庫底淤積直接連接；掩埋型淤積，即深孔全部淤積且孔口也被掩埋在淤堵物表面之下，如三門峽水庫在1996年出現(xiàn)過的淤積情況，排沙洞進(jìn)口淤積高程比孔口高出22.3 m［9］。其中，深孔孔內(nèi)部分淤積最為常見。

本文僅對(duì)部分淤積的情況進(jìn)行清淤作業(yè)研究。在該種工況下，水下孔洞位于壩體中間，水下清淤機(jī)器人需要在水下“懸空”進(jìn)入孔洞中，并將孔洞中的淤積物排除到洞口外。

（2） 淤積物類型分析。

水庫的淤積物種類較多、形狀復(fù)雜，一般孔洞內(nèi)淤堵物可分為松散泥沙、板結(jié)泥沙、較小體積雜物、較大體積雜物等4種類型。較小體積雜物一般為生活垃圾（泡沫、塑料）、半懸浮物品（水產(chǎn)養(yǎng)殖用的網(wǎng)箱殘余、繩子、樹枝木塊）、建筑垃圾（鋼管、水泥塊、破碎模板、竹跳板）等等。較大體積的雜物包括雜物塊石、樹樁等。同一孔洞中一般同時(shí)存在多種不同類型的淤積物，需要水下清淤機(jī)器人具有較高的作業(yè)適應(yīng)能力。

（3） 壩前環(huán)境分析。

壩前環(huán)境主要包括作業(yè)區(qū)域的水陸交通條件，壩頂、壩前庫邊道路及容易進(jìn)行設(shè)備吊裝及布置的開闊場(chǎng)地，一般近壩庫區(qū)具備能夠?qū)⒃O(shè)備運(yùn)輸至水面的碼頭或下水點(diǎn)，壩頂或近壩岸坡附近需能夠提供動(dòng)力電源。

1.2 功能設(shè)計(jì)

（1） 清淤功能。根據(jù)深孔孔洞中的淤積類型及環(huán)境特征，松散泥沙類的淤積物可直接通過泥漿泵進(jìn)行抽吸，排出洞口外；板結(jié)泥沙則可先使用作業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行攪動(dòng)，然后用泥漿泵進(jìn)行抽吸，排出洞口；體積較小的雜物，則需要在清淤機(jī)器人的作業(yè)臂上設(shè)置抓取機(jī)構(gòu)，將其抓取并移送到孔洞外。對(duì)于大體積的雜物，如塊石、樹樁等，可能需要清淤機(jī)器人搭載專門的巖石破碎、切割或者爆破裝置進(jìn)行清理。

根據(jù)上述功能需求，機(jī)器人清淤擬采用小型化絞吸頭搭配泥漿泵抽吸作為基本作業(yè)單元，同時(shí)搭載可以替換的抓取機(jī)構(gòu)和巖石破碎、切割作業(yè)機(jī)構(gòu)作為配套。

（2） 行走功能。深水孔洞中閘門距離洞口有一定的距離，因此需要清淤機(jī)器人能夠自主移動(dòng)到閘門前進(jìn)行清淤作業(yè)。水下設(shè)備移動(dòng)一般采用懸浮推進(jìn)和著底自行走兩種方式。懸浮推進(jìn)一般使用螺旋槳提供動(dòng)力，常用于零浮力、正浮力或者水中重量相對(duì)較小的設(shè)備，具備輕載作業(yè)能力，水下的靈活性較高。著底自行走一般采用履帶式自行走，通常用于水中重量相對(duì)較大、需較大負(fù)載作業(yè)的情況。根據(jù)作業(yè)環(huán)境及工況分析，擬采用履帶自行式方案。

（3） 定位功能。水下清淤機(jī)器人在孔洞中作業(yè)時(shí)，受狹窄空間的限制以及水體渾濁度的影響，聲學(xué)定位和光學(xué)設(shè)備很難提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。為了保證機(jī)器人能夠在孔洞中按預(yù)定路徑行走和清理淤積物，深孔清淤機(jī)器人通過尾纜長(zhǎng)度、側(cè)向距離及自行姿態(tài)信息方式進(jìn)行定位和三維顯示。

（4） 動(dòng)力功能。整個(gè)清淤系統(tǒng)采用岸載或船載電源進(jìn)行供電。電能分別被輸送給水面吊放回收系統(tǒng)和水下清淤機(jī)器人的電機(jī)中，以及各部分控制電源。水面吊放回收系統(tǒng)通過液壓系統(tǒng)的電機(jī)泵組將電能轉(zhuǎn)換為液壓能，進(jìn)行各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作及控制；水下清淤機(jī)器人采用液壓系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為液壓能，分別供給機(jī)器人的疏堵、行走及航向控制等。

（5） 智能控制功能。水下清淤機(jī)器人的整套控制系統(tǒng)借鑒深海采礦中集礦車的控制作業(yè)技術(shù)，在光纖通信系統(tǒng)的支持下，采用多級(jí)分散控制、集中監(jiān)控的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的全面監(jiān)視和操作控制。主要功能包括8個(gè)方面：系統(tǒng)動(dòng)力輸配及控制，疏堵裝置的監(jiān)控，液壓系統(tǒng)監(jiān)控，車體航向和姿態(tài)監(jiān)控，履帶自行式行走監(jiān)控，裝置下放、回收過程監(jiān)控，水下作業(yè)環(huán)境監(jiān)視和水面監(jiān)控中心。

1.3 布放回收設(shè)計(jì)

考慮深水孔洞建筑物表面一般不具有足夠的作業(yè)空間，且大多孔洞前不具有承載平臺(tái)，為使水下清淤機(jī)器人安全可靠的進(jìn)入孔洞內(nèi)作業(yè)，且不損傷壩體，水下清淤機(jī)器人需借助專用平臺(tái)進(jìn)行布放、回收。為給機(jī)器人調(diào)試、檢修以及操作提供合理的作業(yè)條件，設(shè)計(jì)了一套具有較高機(jī)動(dòng)性和靈活性的布放回收系統(tǒng)，布置如圖2所示。

布放回收系統(tǒng)分為水面平臺(tái)（上平臺(tái)）和水下平臺(tái)兩部分，其中水面平臺(tái)為整套系統(tǒng)提供水面支持，用于對(duì)孔洞清淤機(jī)器人布放回收、相關(guān)輔助設(shè)備安裝、試驗(yàn)人員作業(yè)、系統(tǒng)動(dòng)力供應(yīng)、系統(tǒng)控制等，主要包括水面浮箱、吊裝架、電動(dòng)絞車、電控集裝箱等；水下平臺(tái)主要用于承載清淤機(jī)器人，使清淤機(jī)器人能夠進(jìn)入孔洞內(nèi)作業(yè)以及固定排出管，其主要由吊裝框架、水下液壓站、水下平臺(tái)、螺旋槳、卡爪機(jī)構(gòu)和連接跳板等組成；水面平臺(tái)與水下平臺(tái)之間設(shè)有8個(gè)固定連接點(diǎn)，水下平臺(tái)固定導(dǎo)柱穿過水面平臺(tái)固定塊后，通過銷軸連成一個(gè)整體。

1.3.1 水面平臺(tái)設(shè)計(jì)

水面浮箱主要由4塊浮箱塊拼接而成，如圖3所示，水面平臺(tái)布置有電控集裝箱、吊裝架、電動(dòng)絞車等。中間預(yù)留清淤機(jī)器人布放回收空間，兩塊平臺(tái)之間通過工字鋼連接，同時(shí)設(shè)備吊放以外區(qū)域上面鋪以鋼板，作為人員行走及作業(yè)平臺(tái)。

1.3.2 水下平臺(tái)主要組件設(shè)計(jì)

水下平臺(tái)主要由吊裝框架、水下液壓站、水下平板、螺旋槳、卡爪機(jī)構(gòu)和連接跳板等組成，如圖4所示。其中，吊裝框架通過滑輪與電動(dòng)絞車上的鋼絲繩進(jìn)行連接，進(jìn)行整體的布放與回收；吊裝框架主要用方鋼現(xiàn)場(chǎng)組焊而成。為保證水下平臺(tái)的穩(wěn)定性并便于姿態(tài)調(diào)整，在平臺(tái)尾部布有螺旋槳，通過調(diào)節(jié)控制水下平臺(tái)的位置及與壩體之間的距離，實(shí)現(xiàn)水下平臺(tái)與孔洞的精準(zhǔn)對(duì)接。

為保證水下平臺(tái)到達(dá)指定位置后，清淤機(jī)器人行走時(shí)平臺(tái)的穩(wěn)定性，在水下平臺(tái)與孔洞接觸處布有卡爪機(jī)構(gòu)，當(dāng)水下平臺(tái)與孔洞位置對(duì)接完成后，卡爪機(jī)構(gòu)打開，卡爪插入孔洞內(nèi)壁，使水下平臺(tái)與壩體之間建立穩(wěn)固的連接。水下平臺(tái)上設(shè)有翻板機(jī)構(gòu)，使孔洞清淤機(jī)器人能越過水下平臺(tái)與壩體之間的間隙，自行駛?cè)肟锥磧?nèi)進(jìn)行作業(yè)。水下液壓站主要作為螺旋槳、卡爪機(jī)構(gòu)和連接跳板的動(dòng)力來源，布置于水下平臺(tái)的尾部，通過液壓分別驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行部件的液壓缸和液壓馬達(dá)，輔助水下機(jī)器人進(jìn)行清淤作業(yè)。

2 驗(yàn)證及應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)方案研制了深水孔洞清淤機(jī)器人樣機(jī)“達(dá)諾1號(hào)”（DreRo-Ⅰ），分別在實(shí)驗(yàn)室和工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其孔洞作業(yè)下的直線行走性能、清淤作業(yè)等進(jìn)行了重點(diǎn)測(cè)試驗(yàn)證。

2.1 直線行走性能測(cè)試

深水孔洞清淤機(jī)器人在水下空洞中作業(yè)時(shí)，一般為長(zhǎng)直孔洞，確保清淤機(jī)器人能直線行駛尤其重要。清淤機(jī)器人的直線行駛性能主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是其航向保持能力，二是其絕對(duì)軌跡偏差。從前期的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中可知，機(jī)器人可維持航向在1°的偏差范圍內(nèi)正常前進(jìn)［10］。然而，1°的偏差仍可能與洞壁發(fā)生碰撞甚至出現(xiàn)無法前進(jìn)的情況，需要對(duì)其絕對(duì)直線行走偏差進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試在長(zhǎng)40 m、寬10 m、深5 m的實(shí)驗(yàn)水池中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)水池底部鋪設(shè)約1 m厚的黏性土底質(zhì)，剪切強(qiáng)度5～10 kPa。清淤機(jī)器人布放完成后，加注深約2 m的水（剛好淹沒清淤機(jī)器人）。準(zhǔn)備工作完成后，通過智能控制系統(tǒng)給定直線行駛指令，待直線超過10 m后停止，排干水池中的水，對(duì)清淤機(jī)器人的行走軌跡進(jìn)行測(cè)量，獲得其直線行駛絕對(duì)偏差值。

水池放水后，實(shí)測(cè)清淤機(jī)器人行駛后形成軌跡直線性較好，偏差在20 mm內(nèi)，一般孔洞相對(duì)于清淤機(jī)器人的左右總間隙超過1 m，因此在孔洞稀軟底質(zhì)情況下，清淤機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)直線行駛并完成作業(yè)任務(wù)。

2.2 清淤作業(yè)及應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證清淤機(jī)器人的水下清淤作業(yè)能力，先后在小浪底、烏東德、馬鹿塘等地完成水下作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了不同作業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用，如水下清淤、水下爆破作業(yè)、油漆涂刷等。

（1） 小浪底水下清淤作業(yè)。2019年在小浪底工程試驗(yàn)中，“達(dá)諾1號(hào)”水下機(jī)器人下至大壩排沙洞口處，水深82.3 m，排沙洞寬3.5 m、高6.3 m。水下機(jī)器人通過環(huán)境感知單元進(jìn)行路徑探索，準(zhǔn)確找到排沙洞口，并利用綜合導(dǎo)航控制系統(tǒng)，以0.5 m/s的速度在洞內(nèi)行走至目的區(qū)域，實(shí)施了孔洞內(nèi)清淤作業(yè)后退出排沙洞，在壩體前方淤積區(qū)域成功開展了行走和清淤作業(yè)［11］。

（2） 烏東德水下爆破作業(yè)。2020年在烏東德水電站壩后水墊塘處理中，通過纜機(jī)+電葫蘆形式下放與回收水下機(jī)器人。在水下機(jī)器人布放至水底并確定自身位置后，通過調(diào)節(jié)機(jī)械臂角度與位置，將攜帶的炸藥框準(zhǔn)確布放至預(yù)設(shè)的鋼板上，回收水下機(jī)器人后引爆炸藥框，順利完成了100 m級(jí)深水環(huán)境水下爆破精準(zhǔn)切割任務(wù)。

（3） 實(shí)驗(yàn)室油漆涂刷作業(yè)。2020年在實(shí)驗(yàn)室搭建了水下涂刷作業(yè)平臺(tái)，通過遠(yuǎn)程操控機(jī)器人的機(jī)械臂，順利實(shí)現(xiàn)對(duì)水下鋼板的防腐涂料涂裝，通過水下攝像頭進(jìn)行觀察，整個(gè)水下涂刷過程動(dòng)作連續(xù)，過程流暢，可實(shí)現(xiàn)高精度涂刷作業(yè)，作業(yè)情況如圖5所示。

（4） 馬鹿塘水下作業(yè)。2020年在云南文山馬鹿塘水下作業(yè)中，在抓斗、清淤泵完成開闊水面部位淤積物清理后，“達(dá)諾1號(hào)”清淤機(jī)器人進(jìn)入洞口內(nèi)，通過模塊化設(shè)計(jì)的清淤耙，清除了關(guān)鍵的淤堵區(qū)域。雖然實(shí)際清淤方量不大，但打通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)使得洞室全線貫通，為后續(xù)開閘沖沙創(chuàng)造條件，在解決技術(shù)難點(diǎn)的同時(shí)大幅節(jié)省了工程投資，取得較好效果。

3 結(jié)論及展望

根據(jù)當(dāng)前中國(guó)深水孔洞清淤的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一款可用于水下深孔疏堵清淤的清淤機(jī)器人，具備水下清淤、行走、定位、動(dòng)力及智能控制等功能。配套設(shè)計(jì)的布放回收系統(tǒng)，由上平臺(tái)、下平臺(tái)及吊放絞車等組成，可實(shí)現(xiàn)孔洞清淤機(jī)器人的布放、入洞、動(dòng)力供給、回收等功能，保障設(shè)備作業(yè)。研制的清淤機(jī)器人“達(dá)諾1號(hào)”通過實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水下清淤、水下爆破作業(yè)、油漆涂刷等不同場(chǎng)景下應(yīng)用作業(yè)，驗(yàn)證了其直線行駛性能、水下清淤作業(yè)能力，表明該方案技術(shù)可行，可進(jìn)一步開展深入研究，但在其工程適應(yīng)性、安裝快捷性等方面有待進(jìn)一步發(fā)展。

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（編輯：唐湘茜，張 爽）

Abstract：

Based on the actual requirements of deep water outlet dredging，the underwater desilting robot should have the basic functions of underwater dredging，walking，positioning，power and intelligent control.Through the analysis of the dredging environment，an intelligent deep-water hole desilting robot with the ability to clean up the silt in front of the gate was designed.Aiming at the difficulties of the robots work，the technical scheme of its laying and recovery was introduced in detail，including the upper platform，lower platform and lifting winch，which can realize the deployment，digging，power supply，recovery and other functions of the desilting robot.The linear walking performance of the desilting robot was tested through the laboratory experiment.The results showed that the technical feasibility and operation ability of the dredging robot are feasible.

Key words：

desilting robot； reservoir sedimentation； outlet desilting； placement and recovery； intelligent control