本發(fā)明涉及除冰機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種極地海洋平臺除冰機(jī)器人及其工作方法。

背景技術(shù)：

1、極地海洋平臺長期暴露于低溫、強(qiáng)風(fēng)、海浪等極端環(huán)境中，其結(jié)構(gòu)表面易因水汽凝結(jié)和海水飛濺形成覆冰。冰層累積不僅增加平臺載荷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形甚至傾覆風(fēng)險，還會堵塞設(shè)備接口，影響油氣開采、數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵作業(yè)的穩(wěn)定性。近年來，機(jī)器人技術(shù)逐步應(yīng)用于除冰領(lǐng)域，例如高壓線除冰機(jī)器人通過夾持與切割結(jié)合提升效率，水面除冰機(jī)器人利用錘擊與鏟斗協(xié)同作業(yè)。然而，現(xiàn)有機(jī)器人多針對特定場景設(shè)計，難以適應(yīng)極地海洋平臺的多變環(huán)境，且極地除冰作業(yè)主要依賴人工敲擊、或機(jī)械鉆削等手段，但這些方法存在顯著缺陷：效率與適應(yīng)性不足：傳統(tǒng)人工除冰依賴人力操作，效率低下且難以應(yīng)對復(fù)雜冰層，而單純采用熱融法能耗極高，且在極地低溫環(huán)境中熱損失嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)性差。安全性問題：人工操作需在高空或濕滑表面進(jìn)行，極地惡劣天氣進(jìn)一步增加作業(yè)風(fēng)險，易引發(fā)人員傷亡；機(jī)械鉆削設(shè)備在厚冰或冰層不均勻時易卡頓，甚至損壞平臺涂層。環(huán)保性欠缺：部分化學(xué)融冰劑可能污染極地海洋生態(tài)，而機(jī)械除冰產(chǎn)生的碎冰若未及時清理，可能隨洋流擴(kuò)散，影響周邊海域航行安全。因此，亟需研發(fā)一種高效、穩(wěn)定且環(huán)保的極地海洋平臺專用除冰機(jī)器人，具備以下特性：提升融冰效率，自適應(yīng)多模式除冰，以及低能耗可持續(xù)運(yùn)行能力，從而提升極地資源開發(fā)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種極地海洋平臺除冰機(jī)器人及其工作方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種極地海洋平臺除冰機(jī)器人，包括除冰鏟機(jī)構(gòu)、除冰鉆機(jī)構(gòu)、激光除冰機(jī)構(gòu)、中央操控機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和攀爬機(jī)構(gòu)、傳感控制系統(tǒng)；除冰機(jī)器人前后布置有兩個中央操控機(jī)構(gòu)，除冰鏟機(jī)構(gòu)、除冰鉆機(jī)構(gòu)、激光除冰機(jī)構(gòu)均設(shè)置于位于除冰機(jī)器人前面的中央操控機(jī)構(gòu)的前方，兩個中央操控機(jī)構(gòu)之間由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接，兩個中央操控機(jī)構(gòu)均左右連接攀爬機(jī)構(gòu)，并驅(qū)動攀爬機(jī)構(gòu)的夾緊和松開；

3、傳感控制系統(tǒng)包括傳感器和控制器，傳感器包括毫米波冰層厚度雷達(dá)、紅外熱成像儀、壓電式硬度傳感器、超聲波傳感器，其中：毫米波冰層厚度雷達(dá)安裝于除冰機(jī)器人前端，檢測范圍0－1.5m；紅外熱成像儀安裝在機(jī)器人底部或者側(cè)面，測溫范圍－80℃至50℃；壓電硬度傳感器按照在機(jī)器人的作業(yè)臂末端或者接觸冰面的部分；超聲波傳感器覆蓋側(cè)方盲區(qū)檢測；所述除冰機(jī)器人的控制器采用模糊pid算法，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時決策除冰模式：當(dāng)冰層厚度＜10cm且硬度＜5mpa時，單獨(dú)啟用除冰鏟機(jī)構(gòu)；當(dāng)10cm≤厚度≤30cm或5mpa≤硬度≤20mpa時，啟用鉆－鏟協(xié)同模式；當(dāng)厚度＞30cm或硬度＞20mpa時，啟用激光－鉆頭聯(lián)合破除模式，針對厚度＜2cm的薄冰層，采用高頻激光脈沖點(diǎn)蝕處理。

4、除冰鏟機(jī)構(gòu)、除冰鉆機(jī)構(gòu)、激光除冰機(jī)構(gòu)均連接在一個基座上，除冰鏟機(jī)構(gòu)位于機(jī)器人前方兩側(cè)，向前伸展并可靈活調(diào)整位置；除冰鉆機(jī)構(gòu)位于除冰鏟機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)；激光除冰機(jī)構(gòu)則位于上方相對較高的位置，激光除冰機(jī)構(gòu)位于機(jī)器人上方，通過定向發(fā)射高能激光束加熱冰層表面，適用于難以觸及或需精細(xì)處理的區(qū)域；除冰鏟機(jī)構(gòu)具有鋒利邊緣和堅(jiān)固結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械運(yùn)動鏟除大面積薄冰層；除冰鉆機(jī)構(gòu)配備高速旋轉(zhuǎn)鉆頭，用于破碎厚冰層。

5、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機(jī)、轉(zhuǎn)向支架、機(jī)械臂連接件，轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動萬向傳動裝置的兩個萬向節(jié)叉不同角度的擺轉(zhuǎn)，再通過前后布置的兩個機(jī)械臂連接件連接除冰機(jī)器人前后兩個部分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)除冰機(jī)器人的轉(zhuǎn)向和攀爬角度調(diào)整。

6、攀爬機(jī)構(gòu)包含一級鉸鏈、一級機(jī)械臂、棘狀柔性防滑塊、一級液壓傳動機(jī)構(gòu)、二級鉸鏈、二級機(jī)械臂、二級液壓傳動機(jī)構(gòu)、三級鉸鏈、三級公頭機(jī)械臂、三級母頭機(jī)械臂，一對夾爪左右連接中央操控機(jī)構(gòu)中的機(jī)械臂驅(qū)動框，機(jī)械臂驅(qū)動框連接一級鉸鏈，一級鉸鏈順次連接一級機(jī)械臂、二級鉸鏈、二級機(jī)械臂、三級鉸鏈、三級公頭機(jī)械臂，一級鉸鏈、二級鉸鏈、三級鉸鏈之間分別連接有一級液壓傳動機(jī)構(gòu)、二級液壓傳動機(jī)構(gòu)，液壓傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾爪每一段關(guān)節(jié)之間的角度位置調(diào)節(jié)，從而保證夾爪的夾緊動作和松開動作的準(zhǔn)確；一級和二級機(jī)械臂下方設(shè)有可拆卸棘狀柔性防滑塊，采用形狀記憶合金制造。

7、除冰機(jī)器人具有三種協(xié)同工作模式：當(dāng)冰層厚度＜10cm且硬度＜5mpa時，單獨(dú)啟用除冰鏟機(jī)構(gòu)；當(dāng)10cm≤厚度≤30cm或5mpa≤硬度≤20mpa時，啟用鉆－鏟協(xié)同模式；當(dāng)厚度＞30cm或硬度＞20mpa時，啟用激光－鉆頭聯(lián)合破除模式，針對厚度＜2cm的薄冰層，采用高頻(100hz)激光脈沖點(diǎn)蝕處理。

8、傳感控制系統(tǒng)還可以采用以下方式：紅外傳感器與激光傳感器構(gòu)成核心，紅外傳感器用于溫度分布監(jiān)測，激光傳感器提供冰層厚度與障礙物距離的精確測量；紅外傳感器安裝在機(jī)器人的底部或前端，靠近冰面，以便準(zhǔn)確測量溫度；激光傳感器無接觸測量冰層厚度及障礙物距離，安裝在機(jī)器人前部；超聲波傳感器作為輔助，覆蓋遠(yuǎn)距離障礙檢測；超聲波傳感器安裝在機(jī)器人側(cè)面，覆蓋機(jī)器人側(cè)方盲區(qū)，輔助檢測懸垂線夾等小型障礙；視覺傳感器安裝在機(jī)器人頂部或中部，采用云臺攝像機(jī)與廣角鏡頭組合，識別冰層類型及導(dǎo)線狀態(tài)。

9、中央操控機(jī)構(gòu)包括拱形外殼，拱形外殼下方設(shè)置有四個機(jī)械臂驅(qū)動框及行星絲杠模組，行星絲杠模組、驅(qū)動電機(jī)、主體框架安裝于機(jī)械臂驅(qū)動框上，每一個機(jī)械臂驅(qū)動框?qū)?yīng)攀爬機(jī)構(gòu)的一對夾爪，通過驅(qū)動電機(jī)控制夾爪的夾緊力。

10、除冰機(jī)器人先通過毫米波冰層厚度雷達(dá)掃描前方冰層厚度，確定需要處理的區(qū)域；紅外熱成像儀檢測冰層溫度分布，找到較薄或較脆弱的區(qū)域，或者監(jiān)測除冰后的溫度變化；壓電式硬度傳感器在接觸冰面時測量硬度，調(diào)整除冰工具的力度；控制器綜合這些數(shù)據(jù)，決定使用哪種除冰模式，比如鏟、鉆或激光鏟除，或者兩種或者三種結(jié)合模式；控制器采用模糊pid算法實(shí)現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)速或加熱功率，以適應(yīng)不同的冰層條件；同時，控制器需要考慮傳感器之間的協(xié)同工作，根據(jù)各傳感器信號輸入選擇最優(yōu)策略，可同時啟用多種方法；雷達(dá)和熱成像儀的位置不能太近，防止電磁干擾；直接接觸冰面會有磨損或溫度變化影響精度，因此壓電傳感器需要定期校準(zhǔn)。

11、機(jī)器人先通過激光雷達(dá)掃描前方冰層和障礙物，規(guī)劃路徑，紅外傳感器實(shí)時監(jiān)測冰面溫度，識別薄冰區(qū)域，超聲波傳感器檢測側(cè)方障礙，避免碰撞，視覺傳感器識別冰層類型，調(diào)整除冰策略，控制器整合所有數(shù)據(jù)，決定使用鏟、鉆或激光鏟除的單種或多種組合方式；同時，超聲波傳感器在側(cè)方的數(shù)據(jù)可以輔助調(diào)整機(jī)器人的位置和動作，避免損壞設(shè)備。

12、除冰機(jī)器人的傳感控制系統(tǒng)還可以采用仿生學(xué)布局策略：前端集成紅外與激光傳感器密集陣列，側(cè)方呈弧形分布超聲波傳感器，頂部安裝激光雷達(dá)，紅外傳感器采用雙冗余配置。

13、本發(fā)明的有益效果是：攀爬機(jī)構(gòu)不僅提高了機(jī)器人的機(jī)動性和適應(yīng)性，還確保了其在惡劣環(huán)境下的安全性和可靠性。絲桿傳動機(jī)構(gòu)有良好的耐磨性和長壽命特性，能夠在極地惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運(yùn)行。傳感控制系統(tǒng)能夠提高機(jī)器人對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，使其能夠更好地應(yīng)對各種除冰場景。除冰機(jī)構(gòu)匯集多種除冰方式的優(yōu)勢，共同協(xié)同除冰，效率很高。