CN112223964A - 一种废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及潜水机器人技术领域，具体公开一种废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人，包括机体支架、沉浮与姿态调节机构、行走机构、水下推进机构、巡检作业机构、水声通信及控制***。本发明机器人具有稳定精确的沉浮及姿态调节***，并具备陆地和水下运动能力，可以携带摄像头和机械臂进行巡检作业，尽可能多地考虑到了废旧矿井地下空间复杂的工作环境，并充分利用整体机构的空间和尺寸，合理布局，巧妙优化，设计出姿态调节方便、调节稳定的废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人。

Description

一种废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人

技术领域

本发明涉及潜水机器人技术领域，具体涉及一种废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人。

背景技术

大多数地区煤炭开采以地采为主，地采将地下的煤挖空后会造成地表塌陷并形成积水，利用这一特点，可以将地表塌陷带水体作为上水库，地下绵延十几甚至几十公里的废弃巷道作为下水库，利用上下水库的势能差构建抽水蓄能电站，如能将废弃地下空间部分利用进行抽水蓄能发电，不仅能够给电力***带来可观的动态效益，而且对于资源枯竭型城市转型发展具有重要意义。

在将废旧矿井用作地下水库来建设抽水蓄能电站的前提是准确的掌握废旧矿井的状况。因此急需设计一种废旧矿井抽水蓄能地下水库水陆两栖巡航机器人用于勘测由废旧煤矿形成的地下水库的环境，并且该水库将用于建设抽水蓄能电站。同时水陆两栖巡航机器人是抽水蓄能电站关键巡检设备，负责电站地下空间的前期勘探及后期维护、巡检等重要任务。由于废弃矿井存在突水、瓦斯、塌陷等诸多危险因素，且地下电站涉及水陆两栖工况，电站建成后的地下水道空间人无法到达，加之地下空间环境的复杂性，水底障碍物较多，螺旋桨容易受到破坏，因此迫切需要一种性能优良，沉浮、姿态调节灵活，操作简单，控制稳定，具有两栖通行和作业能力的巡检潜水机器人。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人，具有稳定精确的沉浮及姿态调节***，并具备陆地和水下运动能力，可以携带摄像头和机械臂进行巡检作业，尽可能多地考虑到了废旧矿井地下空间复杂的工作环境，并充分利用整体机构的空间和尺寸，合理布局，巧妙优化，设计出姿态调节方便、调节稳定的废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人，包括机体支架、沉浮与姿态调节机构、行走机构、水下推进机构、巡检作业机构、水声通信及控制***；

沉浮与姿态调节机构包括右压载舱、左压载舱和液压集成阀组箱，液压集成阀组箱包括2D姿态控制阀和液压管路，液压集成阀组箱通过液压管路与右压载舱和左压载舱连接；

2D姿态控制阀包括阀套、阀体和阀芯，阀芯和阀套同轴安装，阀套固定在阀体内孔上，阀芯与阀套构成圆柱副，阀芯通过伺服电机的驱动可相对于阀套同轴旋转，阀芯通过直线电机的驱动可相对于阀套沿轴线方向直线运动；

阀体表面设有若干阀口，阀体内部设有若干阀体油口，阀口外侧通过液压管路与右压载舱和左压载舱连通，阀口内侧与阀体油口选择性连通；

阀套表面在同一母线上依次等距开有若干阀套油口，阀套油口与阀体油口选择性连通；

阀芯包括阀芯上腔、中间隔板、阀芯下腔、直线电机连接轴、伺服电机连接轴及阀芯油口，中间隔板将阀芯内部分割成阀芯上腔和阀芯下腔两部分，阀芯油口沿阀芯柱面展开形成八行n列的油口阵列，每一列的油口对应一个阀位，通过阀芯旋转使阀芯油口与阀套油口连通形成n个阀位。

进一步优选地，阀芯油口包括五个阀位，具体包括：a阀位油口、b阀位油口、c阀位油口、d阀位油口和e阀位油口，a阀位油口在第五行和第七行未开设油口，b阀位油口在第四行和第六行未开设油口，c阀位油口在第三和第五行未开设油口，d阀位油口在第一行、第四行、第五行和第六行未开设油口，的e阀位油口在第三行、第四行、第六行和第八行未开设油口，第一、二、三、四行的油口与阀芯上腔连通，第五、六、七、八行的油口与阀芯下腔连通。

进一步优选地，a阀位油口、b阀位油口、c阀位油口、d阀位油口、e阀位油口在阀芯表面周向均匀分布，周向夹角θ＝2π/n，当n＝5时，θ＝72°

进一步优选地，相邻两行阀芯油口、阀套油口及阀体油口的轴向间距相同。

进一步优选地，阀芯油口的轴向宽度小于轴向相邻两行油口间最小距离，阀芯轴向移动一个行程时阀芯油口被阀套完全遮挡，即为2D姿态控制阀的锁紧位。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出了一种集废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人沉浮调节功能与姿态调节功能于一体的沉浮与姿态调节机构，该机构只设有两个压载舱，但由于其内部特殊的活塞弹簧腔结构使其能满足浮力调节与机器人前后左右及向四角八个方向的侧倾姿态调节，且使得姿态调节反应快速灵活准确，同时进行姿态调节时压载舱与外部水体隔绝以保证机器人整体重量保持不变，调节过程稳定性好。相比于传统的沉浮与姿态调节机构，具有结构和功能集成、沉浮与姿态调节二合一、压载舱数目少、调节精度高、调节过程稳定性好等优点。

(2)本发明提出了一种新型的2D姿态控制阀，通过合理优化阀口导通方式，大大精简了姿态调节所需控制阀数量，并且可通过压载舱内部舱体之间的液压介质相互转移实现姿态调节，大大提高了姿态调节的效率。该2D控制阀具有五个工作位和一个锁紧位，且每个工作位通过阀芯轴向移动均可切换至锁紧位，进而由锁紧位通过阀芯旋转运动切换阀芯和阀套间周向相对位置，然后再由阀芯轴向复位，切换至其他阀位，避免普通换向阀不能从任意工作位切换至锁紧位，或者由所在阀位经锁紧位直接切换至其他任意阀位的技术难题。其结构简单、功能集成，姿态调节简单可靠，调节过程机器人稳定性好，具有节能环保、适应性强等诸多优点。

(3)本发明提出一种推进器配合沉浮与姿态调节机构的姿态调节***。该调节***采用压载舱调节和推进器调节相结合的方法实现机器人沉浮及姿态的调节。借助沉浮与姿态调节机构控制压载舱的重量和重心，实现机器人的沉浮和作业姿态调节，并辅以推进器实现机器人姿态的快速调整，以达到快速灵活改变位置的目的，并且丰富了机器人姿态调节方式。如通过沉浮与姿态调节机构实现机器人特定姿态下的悬浮，通过推进器实现姿态的微调及固定姿态的推进等动作。二者协同工作，将大大提高机器人姿态调节的灵活性和多样性，且调节过程更加快速、稳定性更好。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的机体支架结构示意图；

图3为本发明的总体结构右视图；

图4为本发明的总体结构后视图；

图5为本发明的总体结构上视图；

图6为本发明的沉浮及姿态调节机构及液压***原理图；

图7为本发明的2D姿态控制阀内部结构示意图；

图8为本发明的2D姿态控制阀阀芯结构示意图；

图9为本发明的2D姿态控制阀阀芯剖视图；

图10为本发明的2D姿态控制阀阀套结构示意图；

图11为本发明的2D姿态控制阀的阀芯、阀套及阀体油口布置位置示意图。

图中：

1-右压载舱尾翼，2-副推进器Ⅰ，3-右压载舱，301-右低密度活塞舱，302-右压载舱后腔，303-右压载舱前腔，304-右活塞弹簧腔Ⅰ，305-右活塞弹簧腔Ⅱ，306-右可动隔板Ⅰ，307-右活塞，308-右可动隔板Ⅱ，5-压载舱支撑板，6-转向推进器Ⅰ，7-履带，8-副推进器Ⅱ，9-左压载舱，901-左低密度活塞舱，902-左压载舱后腔，903-左压载舱前腔，904-左活塞弹簧腔Ⅰ，905-左活塞弹簧腔Ⅱ，906-左可动隔板Ⅰ，907-左活塞，908-左可动隔板Ⅱ，10-轻质浮力块承载箱，11-摄像头，12-照明灯，13-转向推进器Ⅱ，14-储物箱，15-发动机组箱，16-机械手，22-主推进器，23-液压集成阀组箱，24-电源与控制电路密封箱，25-沉浮推进器，26-压载舱横梁，27-机车底盘，31-液压管路Ⅰ，32-液压管路Ⅱ，33-液压管路Ⅲ，34-液压管路Ⅳ，36-液压管路Ⅴ，37-液压管路Ⅵ，35-2D姿态控制阀，38/39/40/41/42/47-二位二通电磁阀，43-溢流阀，44-过滤器，45-单向变量泵，46-外水体环境，48-伺服电机，49-伺服电机膜片联轴器，50-联轴器安装座，51-联轴器衬套，52-轴向位移及角位移传感器，53-密封端口，54-衬套，55-复位弹簧，56-弹簧衬套，57-阀芯，571-a阀位油口Ⅰ，572-a阀位油口Ⅱ，573-a阀位油口Ⅲ，574-a阀位油口Ⅳ，575-a阀位油口Ⅴ，576-a阀位油口Ⅵ，5711-b阀位油口Ⅰ，5712-b阀位油口Ⅱ，5713-b阀位油口Ⅲ，5714-b阀位油口Ⅳ，5715-b阀位油口Ⅴ，5716-b阀位油口Ⅵ，577-阀芯上腔，578-阀芯下腔，579-阀芯中间隔板，5701-直线电机连接轴，5702-伺服电机连接轴，58-阀体，581-阀口Ⅰ，582-阀口Ⅱ，583-阀口Ⅲ，584-阀口Ⅳ，585-阀口Ⅴ，586-阀口Ⅵ，589-阀体流道Ⅰ，5810-阀体流道Ⅱ，5811-阀体油口Ⅰ，5812-阀体油口Ⅱ，5813-阀体油口Ⅲ，5814-阀体油口Ⅳ，5815-阀体油口Ⅴ，5816-阀体油口Ⅵ，5817-阀体油口Ⅶ，5818-阀体油口Ⅷ，59-阀套，591-阀套油口Ⅰ，592-阀套油口Ⅱ，593-阀套油口Ⅲ，594-阀套油口Ⅳ，595-阀套油口Ⅴ，596-阀套油口Ⅵ，597-阀套油口Ⅶ，598-阀套油口Ⅷ，60推力球轴承，61-直线电机轴套，62-直线电机安装座，63-直线电机，64-通信***，65-左压载舱尾翼。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人，包括机体支架、沉浮与姿态调节机构、行走机构、水下推进机构、巡检作业机构、水声通信及控制***。

如图2所示，机体支架包括压载舱横梁26、压载舱支撑板5、机车底盘27，压载舱横梁26、压载舱支撑板5、机车底盘27相互固定连接形成整个机器人结构的支架。

如图1、图3和图4所示，沉浮与姿态调节机构包括设于本发明左右两侧的右压载舱3、左压载舱9、右压载舱尾翼1、左压载舱尾翼65、轻质浮力块承载箱10、液压集成阀组箱23。右压载舱尾翼1与右压载舱3尾部固定连接，左压载舱尾翼65与左压载舱9尾部固定连接，轻质浮力块承载箱10与右压载舱3、左压载舱9和压载舱横梁26固定连接，液压集成阀组箱23置于机体支架底部且与机车底盘27固定连接。右压载舱尾翼1和左压载舱尾翼65使机器人在水中潜行时保持稳定。轻质浮力块承载箱10内部含有无机轻质浮力快，其体积可根据实际情况调整。

如图3所示，行走机构为履带式行走机构7。

如图1、图4和图5所示，水下推进机构包括转向推进器Ⅰ6、转向推进器Ⅱ13、沉浮推进器25、主推进器22、副推进器Ⅰ2、副推进器Ⅱ8，所有推进器均采用扇叶式旋转推进方式。副推进器Ⅰ2、副推进器Ⅱ8分别固定连接于左压载舱9和右压载舱3尾部，主推进器22设于机器人尾部且与机体支架固定连接，主推进器22、副推进器Ⅰ2、副推进器Ⅱ8均用于在水下驱动机器人前进或后退。沉浮推进器25固定连接于轻质浮力块承载箱10中间镂空部位，用于控制机器人快速上浮或下沉。转向推进器Ⅰ6、转向推进器Ⅱ13分设于机器人前端两侧并与机体支架固定连接，用于控制机器人转向。

如图1所示，巡检作业机构包括机械手16、照明灯12、摄像头11、储物箱14，所述机械手16与机械手固定梁28固定连接，机械手固定梁28与机体支架固定连接，照明灯12有两个分设于机器人前端与机体支架固定连接，摄像头11与轻质浮力块承载箱10前端固定连接，储物箱14与发动机组箱15固定连接。

如图1和图3所示，水声通信及控制***包括通信***64、电源与控制电路密封箱24。通信***64设于压载舱尾翼1和压载舱尾翼65上，电源与控制电路密封箱24设于机车底盘27底部。

如图1、图4、图5和图6所示，右压载舱3和左压载舱9与机体支架固定连接，右压载舱3和左压载舱9平行且对称布置于机器人本体的两侧，压载舱3和左压载舱9结构和尺寸均完全相同。

右压载舱3包括右低密度活塞舱301、右压载舱后腔302、右压载舱前腔303、右活塞弹簧腔Ⅰ304、右活塞弹簧腔Ⅱ305、右可动隔板Ⅰ306、右活塞307、右可动隔板Ⅱ308。右活塞弹簧腔Ⅰ304和右活塞弹簧腔Ⅱ305之间通过右活塞307隔开，右活塞307中心截面呈“工”字形，且其两端活塞结构对称、面积相等；右活塞307与右压载舱3内表面形成封闭的右低密度活塞舱301；右活塞307、右可动隔板Ⅰ306、右可动隔板Ⅱ308均与右压载舱3内表面间构成圆柱移动副。右可动隔板Ⅰ306与右活塞307之间形成右活塞弹簧腔Ⅰ304，右可动隔板Ⅱ308与右活塞307之间形成右活塞弹簧腔Ⅱ305。

同理，左压载舱9包括左低密度活塞舱901、左压载舱后腔902、左压载舱前腔903、左活塞弹簧腔Ⅰ904、左活塞弹簧腔Ⅱ905、左可动隔板Ⅰ906、左活塞907、左可动隔板Ⅱ908。左活塞弹簧腔Ⅰ904和左活塞弹簧腔Ⅱ905之间通过左活塞907隔开，左活塞907中心截面呈“工”字形，且其两端活塞结构对称、面积相等；左活塞907与左压载舱9内表面形成封闭的左低密度活塞舱901；左活塞907、左可动隔板Ⅰ906、左可动隔板Ⅱ908均与左压载舱9内表面间构成圆柱移动副。左可动隔板Ⅰ906与左活塞907之间形成左活塞弹簧腔Ⅰ904，左可动隔板Ⅱ908与左活塞907之间形成左活塞弹簧腔Ⅱ905。

右压载舱后腔302、右压载舱前腔303、右活塞弹簧腔Ⅰ304、右活塞弹簧腔Ⅱ305和左压载舱后腔902、左压载舱前腔903、左活塞弹簧腔Ⅰ904、左活塞弹簧腔Ⅱ905的体积可变，而右低密度活塞舱301和左低密度活塞舱901体积不变。

如图3和图6所示，液压集成阀组箱23包括单向变量泵45、2D姿态控制阀35、二位二通电磁阀38/39/40/41/42/47、溢流阀43、过滤器44、液压管路Ⅰ31、液压管路Ⅱ32、液压管路Ⅲ33、液压管路Ⅳ34、液压管路Ⅴ36、液压管路Ⅵ37。

如图7和图11所示，2D姿态控制阀包括伺服电机48、联轴器安装座50、伺服电机膜片联轴器49、联轴器衬套51、轴向位移及角位移传感器52、衬套54、复位弹簧55、阀套59、阀体58、阀芯57、推力球轴承60、直线电机轴套61、直线电机安装座62、直线电机63、密封端口53、弹簧衬套56。阀芯57和阀套59同轴安装，阀套59固定在阀体58内孔上，阀芯57与阀套59构成圆柱副，阀芯57下端分别安装有推力球轴承60、弹簧衬套56、复位弹簧55、密封端口53。联轴器安装座50位于阀体58下端，且与阀体用螺钉紧固连接。轴向位移及角位移传感器52固定安装于联轴器安装座50内部，阀芯57下端通过联轴器衬套51与联轴器49连接，联轴器49安装于联轴器安装座50内用于连接阀芯57下端和伺服电机转轴。阀芯上端分别安装有推力球轴承60、直线电机轴套61，直线电机安装座62位于阀体58上端，且与阀体用螺钉紧固连接，直线电机63安装于直线电机安装座62上。

如图7和图11所示，阀体58上依次设有阀口Ⅰ581、阀口Ⅱ582、阀口Ⅲ583、阀口Ⅳ584、阀口Ⅴ585、阀口Ⅵ586分别与阀体油口Ⅷ5818、阀体油口Ⅶ5817、阀体油口Ⅵ5816、阀体油口Ⅴ5815、阀体油口Ⅱ5812、阀体油口Ⅰ5811连通，其连通方式为阀体内部沉割槽连通。阀体油口Ⅲ5813和阀体油口Ⅵ5816通过阀体流道Ⅰ589连通，阀体油口Ⅳ5814和阀体油口Ⅴ5815通过阀体流道Ⅱ5810连通。

如图6、图7和图11所示，阀口Ⅰ581和液压管路Ⅰ31对应连接，阀口Ⅱ582和液压管路Ⅴ36对应连接，阀口Ⅲ583和液压管路Ⅱ32对应连接，阀口Ⅳ584和液压管路Ⅲ33对应连接，阀口Ⅴ585和液压管路Ⅵ37对应连接，阀口Ⅵ586和液压管路Ⅳ34对应连接。液压管路Ⅰ31、液压管路Ⅱ32、液压管路Ⅲ33、液压管路Ⅳ34另一端分别于右压载舱后腔302、右压载舱前腔303、左压载舱后腔902及左压载舱前腔903连通。

如图8、图9和图11所示，阀芯57包括阀芯上腔577、中间隔板579、阀芯下腔578、直线电机连接轴5701、伺服电机连接轴5702及阀芯油口，中间隔板579将阀芯内部分割成阀芯上腔577和阀芯下腔578两部分。

如图10所示，阀套59的圆柱面上，在同一母线上依次等距开有阀套油口Ⅰ591、阀套油口Ⅱ592、阀套油口Ⅲ593、阀套油口Ⅳ594、阀套油口Ⅴ595、阀套油口Ⅵ596、阀套油口Ⅶ597和阀套油口Ⅷ598。

如图6、图8、图10和图11所示，阀芯油口为一组阵列油口，通过阀芯旋转形成n个阀位，本实施例中n＝5，共计五个阀位，具体包括：a阀位油口、b阀位油口、c阀位油口、d阀位油口、e阀位油口。a阀位油口包括a阀位油口Ⅰ571、a阀位油口Ⅱ572、a阀位油口Ⅲ573、a阀位油口Ⅳ574、a阀位油口Ⅴ575、a阀位油口Ⅵ576；当处于a阀位时，上述油口分别与相对应位置的阀套油口Ⅰ591、阀套油口Ⅱ592、阀套油口Ⅲ593、阀套油口Ⅳ594、阀套油口Ⅵ596、阀套油口Ⅷ598连通，进而又分别与阀体油口Ⅰ5811、阀体油口Ⅱ5812、阀体油口Ⅲ5813、阀体油口Ⅳ5814、阀体油口Ⅵ5816、阀体油口Ⅷ5818连通。b阀位油口包括b阀位油口Ⅰ5711、b阀位油口Ⅱ5712、b阀位油口Ⅲ5713、b阀位油口Ⅳ5714、b阀位油口Ⅴ5715、b阀位油口Ⅵ5716；当处于b阀位时，上述油口分别与相对应位置的阀套油口Ⅰ591、阀套油口Ⅱ592、阀套油口Ⅲ593、阀套油口Ⅴ595、阀套油口Ⅶ597、阀套油口Ⅷ598连通，进而又分别与阀体油口Ⅰ5811、阀体油口Ⅱ5812、阀体油口Ⅲ5813、阀体油口Ⅴ5815、阀体油口Ⅶ5817、阀体油口Ⅷ5818连通。其它阀位的油口情况以此类推。

图11为本发明的2D姿态控制阀的阀芯、阀套及阀体油口布置位置示意图，阀芯油口沿阀芯柱面展开成平面形式，形成八行n列的阀口阵列，每一列的阀口对应一个阀位，本实施例中n＝5。其中a阀位油口在第五行和第七行未开设油口，b阀位油口在第四行和第六行未开设油口，c阀位油口在第三和第五行未开设油口，d阀位油口在第一行、第四行、第五行和第六行未开设油口，e阀位油口在第三行、第四行、第六行和第八行未开设油口。a阀位油口、b阀位油口、c阀位油口、d阀位油口、e阀位油口在阀芯表面周向均匀分布，周向夹角θ＝2π/n，本实施例中为θ＝72°。第一、二、三、四行的油口与阀芯上腔577连通，第五、六、七、八行的油口与阀芯下腔578连通。

如图11所示，相邻两行位置的阀芯油口轴向间距和阀套油口轴向间距以及阀体油口轴向间距完全相同，均为L。阀芯油口轴向尺寸x小于轴向相邻两行油口间最小间距y，以确保阀芯57轴向移动一个行程时，阀芯油口被阀套完全遮挡，此时即为2D姿态控制阀35的锁紧位。2D姿态控制阀采用直线电机63控制阀芯57轴向移动，进而通过控制阀芯57与阀套59间轴向相对位置，以控制油口通流面积大小，即阀芯和阀套上相应油口的开度。通过伺服电机48控制阀芯57旋转运动，进而通过控制阀芯57与阀套59间周向相对位置，以切换阀芯油口与阀套油口的连通方式，即切换阀位。

如图6、图7和图11所示，当2D姿态控制阀处于第一阀位，即a阀位时，阀口连通情况如下：

液压管路Ⅰ31依次通过阀口Ⅰ581、阀体油口Ⅷ5818、阀套油口Ⅷ598、a阀位油口Ⅵ576连通阀芯下腔578；液压管路Ⅴ36依次连通阀口Ⅱ582、阀体油口Ⅶ5817及阀套油口Ⅶ597，但此时对应阀芯表面，即a阀位第五行未开设油口，故回路切断；液压管路Ⅱ32依次通过阀口Ⅲ583、阀体油口Ⅵ5816、阀套油口Ⅵ596、a阀位油口Ⅴ575连通阀芯下腔578，同时阀体油口Ⅵ5816依次通过阀体流道Ⅰ589、阀体油口Ⅲ5813、阀套油口Ⅲ593、a阀位油口Ⅲ573连通阀芯上腔577，即此时阀芯上腔577和阀芯下腔578连通；液压管路Ⅲ33依次连通阀口Ⅳ584、阀体油口Ⅴ5815、阀套油口Ⅴ595，虽然此时对应阀芯表面，即a阀位第七行未开设油口，但阀体油口Ⅴ5815通过阀体流道Ⅱ5810依次与阀体油口Ⅳ5814、阀套油口Ⅳ594、a阀位油口Ⅳ574、阀芯上腔577连通；液压管路Ⅵ37依次通过阀口Ⅴ585、阀体油口Ⅱ5812、阀套油口Ⅱ592、a阀位油口Ⅱ572与阀芯上腔577连通；液压管路Ⅳ34依次通过阀口Ⅵ586、阀体油口Ⅰ5811、阀套油口Ⅰ591、a阀位油口Ⅰ571与阀芯上腔577连通。

综上所述，a阀位时，液压管路Ⅴ36断路；液压管路Ⅰ31、液压管路Ⅱ32、液压管路Ⅲ33、液压管路Ⅳ34、液压管路Ⅵ37均互通。

如图6、图7和图11所示，当2D姿态控制阀处于第二阀位，即b阀位时，阀口连通情况如下：

液压管路Ⅰ31依次通过阀口Ⅰ581、阀体油口Ⅷ5818、阀套油口Ⅷ598、b阀位油口Ⅵ5716连通阀芯下腔578；液压管路Ⅴ36依次连通阀口Ⅱ582、阀体油口Ⅶ5817及阀套油口Ⅶ597、b阀位油口Ⅴ5715连通阀芯下腔578；液压管路Ⅱ32依次通过阀口Ⅲ583、阀体油口Ⅵ5816、阀套油口Ⅵ596，虽此时阀芯表面，即b阀位油口第六行未开设油口，但阀体油口Ⅵ5816通过阀体流道Ⅰ589依次通过阀体油口Ⅲ5813、阀套油口Ⅲ593、b阀位油口Ⅲ5713连通阀芯上腔577；液压管路Ⅲ33依次连通阀口Ⅳ584、阀体油口Ⅴ5815、阀套油口Ⅴ595，b阀位油口Ⅳ5714连通阀芯下腔578；液压管路Ⅵ37依次通过阀口Ⅴ585、阀体油口Ⅱ5812、阀套油口Ⅱ592、b阀位油口Ⅱ5712与阀芯上腔577连通；液压管路Ⅳ34依次通过阀口Ⅵ586、阀体油口Ⅰ5811、阀套油口Ⅰ591、b阀位油口Ⅰ5711与阀芯上腔577连通。此外，b阀位油口在第四行和第六行均未开设油口，故阀芯上腔577与阀芯下腔578不能通过阀体流道Ⅰ589或者阀体流道Ⅱ5810相互连通。

综上所述，b阀位时，阀芯上腔577和阀芯下腔578处于隔绝状态，液压管路Ⅰ31、液压管路Ⅲ33、液压管路Ⅴ36通过阀芯下腔578互通，液压管路Ⅱ32、液压管路Ⅳ34、液压管路Ⅵ37通过阀芯上腔577互通。其它阀位的实现过程与此类似。

如图6、图7及图11所示，当2D姿态控制阀35处于第一阀位时，即a阀位时，右压载舱3、左压载舱9通过单向变量泵45从外水体环境46吸、排水，可实现机器人的沉、浮调节；当2D姿态控制阀35处于第二、三、四、五阀位时，右压载舱3、左压载舱9与外水体环境46隔绝，可在机器人总重量不变、沉浮稳定的情况下进行姿态调节。

通过直线电机63控制阀芯57沿阀套59轴心方向移动一个行程，使阀芯57上的七行五列的阀口阵列相对于阀套59上的阀套油口位置相互错开，从而切断阀芯上腔577与阀芯下腔578间连通通道，使阀口Ⅰ581、阀口Ⅱ582、阀口Ⅲ583、阀口Ⅳ584、阀口Ⅴ585、阀口Ⅵ586均处于关闭状态，2D姿态控制阀处于第六阀位，即f阀位。此时，右压载舱3、左压载舱9内部各舱均处于封闭状态。

为保证调节可靠性，切换阀位时可先通过直线电机63控制阀芯57沿阀套59轴心方向移动，将阀位切换至锁紧位，即f阀位；然后通过伺服电机48控制阀芯57转动，将所需阀芯油口与阀套油口调至同一位置，最后再通过直线电机63控制阀芯57沿阀套59轴心方向复位。调节过程中还可借助伺服电机48或者直线电机63控制阀芯57与阀套59相对位置，进而调节阀口开度大小。

具体调节过程如下：

(1)机器人沉浮：通过伺服电机48控制阀芯57转动，使2D姿态控制阀35转至第一阀位，即a阀位，同时打开电磁阀39/40/42，关闭电磁阀38/41/47，单向变量泵45通过电磁阀40、电磁阀42、过滤器44从外水体环境46进液，单向变量泵45通过电磁阀39、液压管路Ⅵ37向右压载舱前腔303、右压载舱后腔302、左压载舱前腔903、左压载舱后腔902同时供液，使得右活塞弹簧腔Ⅰ304、右活塞弹簧腔Ⅱ305、左活塞弹簧腔Ⅰ904、左活塞弹簧腔Ⅱ905同时被压缩，机器人重量增加，机器人下沉。同理，当打开电磁阀42/38/41，关闭电磁阀39/40/47，进而可控制右压载舱前腔303、右压载舱后腔302、左压载舱前腔903、左压载舱后腔902同时排液，使机器人上浮。

(2)机器人前后侧倾：通过伺服电机48控制阀芯57转动，使2D姿态控制阀35转至第二阀位，即b阀位，同时打开电磁阀40/39，关闭电磁阀38/41/42/47，控制单向变量泵45从右压载舱后腔302和左压载舱后腔902吸液，并向右压载舱前腔303和左压载舱前腔903排液，使右压载舱3内部的右活塞弹簧腔Ⅰ304、右活塞弹簧腔Ⅱ305、右低密度活塞舱301，及左压载舱9内部的左活塞弹簧腔Ⅰ904、左活塞弹簧腔Ⅱ905、左低密度活塞舱901均向后移动，使右压载舱3和左压载舱9后端变轻前端变重，机器人向前侧倾。同理，若打开38/41，关闭电磁阀39/40/42/47，可控制机器人向后侧倾。

(3)机器人左右侧倾：通过伺服电机48控制2D姿态控制阀35处于第三阀位，即c阀位，同时打开电磁阀40/39，关闭电磁阀38/41/42/47，可控制右压载舱前腔303和右压载舱后腔302的水被抽到左压载舱前腔903和左压载舱后腔902，使左活塞弹簧腔Ⅰ904、左活塞弹簧腔Ⅱ905被压缩，机器人右侧变轻左侧变重，机器人向左侧倾。同理，若打开38/41，关闭电磁阀39/40/42/47，可控制机器人向右侧倾。

(4)机器人向右前或右后侧倾：在机器人向右侧倾的基础上，当2D姿态控制阀处于第四阀位，即d阀位时，可分别单独控制右压载舱3内部右低密度活塞舱301前后移动，使液体介质在右压载舱后腔302与右压载舱前腔303间交换，进而控制机器人向右前或右后侧倾。

(5)机器人向左前或左后侧倾：在机器人向左侧倾的基础上，当2D姿态控制阀处于第五阀位，即e阀位时，可单独控制左压载舱9内部左低密度活塞舱901前后移动，使液体介质在左压载舱后腔902与左压载舱前腔903间交换，进而控制机器人向左前或左后侧倾。

此外，水下推进机构可与沉浮与姿态调节机构配合使用。借助沉浮与姿态调节机构控制压载舱的重量和重心，实现机器人的沉浮和作业姿态调节，并辅以推进器实现机器人姿态的快速调整，以达到快速灵活改变位置的目的，并且丰富了机器人姿态调节方式。如通过沉浮与姿态调节机构实现机器人特定姿态下的悬浮，通过推进器实现姿态的微调及固定姿态的推进等动作。二者协同工作，将大大提高机器人姿态调节的灵活性和多样性，且调节过程更加快速、稳定性更好。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人，其特征在于，包括机体支架、沉浮与姿态调节机构、行走机构、水下推进机构、巡检作业机构、水声通信及控制***；

所述沉浮与姿态调节机构包括右压载舱(3)、左压载舱(9)和液压集成阀组箱(23)，液压集成阀组箱(23)包括2D姿态控制阀(35)和液压管路，液压集成阀组箱(23)通过液压管路与右压载舱(3)和左压载舱(9)连接；

所述2D姿态控制阀(35)包括阀套(59)、阀体(58)和阀芯(57)，阀芯(57)和阀套(59)同轴安装，阀套(59)固定在阀体(58)内孔上，阀芯(57)与阀套(59)构成圆柱副，阀芯(57)通过伺服电机(48)的驱动可相对于阀套(59)同轴旋转，阀芯(57)通过直线电机(63)的驱动可相对于阀套(59)沿轴线方向直线运动；

所述阀体(58)表面设有若干阀口，所述阀体(58)内部设有若干阀体油口，所述阀口外侧通过液压管路与右压载舱(3)和左压载舱(9)连通，所述阀口内侧与阀体油口选择性连通；

所述阀套(59)表面在同一母线上依次等距开有若干阀套油口，所述阀套油口与阀体油口选择性连通；

所述阀芯(57)包括阀芯上腔(577)、中间隔板(579)、阀芯下腔(578)、直线电机连接轴(5701)、伺服电机连接轴(5702)及阀芯油口，中间隔板(579)将阀芯(57)内部分割成阀芯上腔(577)和阀芯下腔(578)两部分，所述阀芯油口沿阀芯(57)柱面展开形成八行n列的油口阵列，每一列的油口对应一个阀位，通过阀芯(57)旋转使阀芯油口与阀套油口连通形成n个阀位。

2.根据权利要求1所述的废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人，其特征在于，所述右压载舱(3)包括右低密度活塞舱(301)、右压载舱后腔(302)、右压载舱前腔(303)、右活塞弹簧腔Ⅰ(304)、右活塞弹簧腔Ⅱ(305)、右移动隔板Ⅰ(306)、右活塞(307)和右移动隔板Ⅱ(308)，所述左压载舱(9)结构与右压载舱(3)结构相同；

所述右活塞弹簧腔Ⅰ(304)和右活塞弹簧腔Ⅱ(305)之间通过右活塞(307)隔开，右活塞(307)中心截面呈“工”字形，右活塞(307)两端活塞结构对称、面积相等，右活塞(307)与右压载舱(3)内表面形成封闭的右低密度活塞舱(301)，右活塞(307)、右移动隔板Ⅰ(306)、右移动隔板Ⅱ(308)均与右压载舱(3)内表面间构成圆柱移动副，所述右移动隔板Ⅰ(306)与右活塞(307)之间形成右活塞弹簧腔Ⅰ(304)，所述右移动隔板Ⅱ(308)与右活塞(307)之间形成右活塞弹簧腔Ⅱ(305)。

3.根据权利要求1所述的废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人，其特征在于，所述阀芯油口包括五个阀位，具体包括：a阀位油口、b阀位油口、c阀位油口、d阀位油口和e阀位油口，a阀位油口在第五行和第七行未开设油口，b阀位油口在第四行和第六行未开设油口，c阀位油口在第三和第五行未开设油口，d阀位油口在第一行、第四行、第五行和第六行未开设油口，所述的e阀位油口在第三行、第四行、第六行和第八行未开设油口，第一、二、三、四行的油口与阀芯上腔(577)连通，第五、六、七、八行的油口与阀芯下腔(578)连通。

4.根据权利要求2所述的废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人，其特征在于，所述a阀位油口、b阀位油口、c阀位油口、d阀位油口、e阀位油口在阀芯(57)表面周向均匀分布，周向夹角θ＝2π/n，当n＝5时，θ＝72°。

5.根据权利要求1所述的废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人，其特征在于，所述相邻两行阀芯油口、阀套油口及阀体油口的轴向间距相同。

6.根据权利要求1所述的废弃矿井抽水蓄能电站水陆两栖机器人，其特征在于，所述阀芯油口的轴向宽度小于轴向相邻两行油口间最小距离，所述阀芯(57)轴向移动一个行程时阀芯油口被阀套(59)完全遮挡，即为2D姿态控制阀(35)的锁紧位。

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