用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人
本发明涉及海洋光伏发电，具体涉及一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人。
背景技术：
1、相比于陆地光伏，海洋光伏具有以下优点：（1）节约土地资源；（2）水面开阔，光照利用率高；（3）水体有冷却效果，能提高约11%的发电效率；（4）可有效地与其他清洁能源和产业相结合。现在海洋光伏建设处于起步阶段，有许多亟待解决的问题，如：光伏板清洁、生物附着清理等。鸟粪、灰尘、海盐结晶一方面会遮挡阳光，使照射到光伏板面的太阳辐射量减小，大大影响发电效率；另一方面会导致太阳能光伏板表面的传热形式发生变化，这些物质吸收太阳辐射而转换成自身的热能，影响散热性能，同时也会腐蚀光伏板面，需要定期采用人工使用清洁工具对太阳能光伏板进行清理，劳动强度大，效率低且成本高，海上作业具有一定的危险性。
2、某些海域冬季会进入冰期，浮冰最大外边缘可延伸至数十海里，部分海域海冰厚度最厚超过25厘米，大块浮冰会在潮汐和洋流的影响下移动，对漂浮式光伏结构和安全运营同样造成重要影响，目前主动破冰主要方式是破冰船和人工凿冰。然而海上光伏发电场作业空间有限，并且光伏板比较脆弱，破冰船易导致光伏板破裂；人工凿冰效率低下危险系数高，且不适用于较厚冰层。因此有必要设计一种漂浮式海洋光伏结构清洁及震动破冰防护一体化机器人，来经济安全高效地解决海冰、海盐、生物附着对于漂浮式海上光伏结构的影响。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的不足，本发明目的在于提出一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，旨在解决漂浮式海洋光伏结构的光伏板表面清洁和其外围冰层破冰主要采用人工操作，劳动强度大，工作效率低、成本高，易导致光伏板损坏，且危险系数高的问题。
2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，包括底架、行走装置、第一箱体、转向机构、驱动装置、破冰机构、清洁机构和电控单元，所述底架为水平布置的方形钢架结构，第一箱体固定安装在底架的上方，第一箱体的内部设有储水箱和可充电锂电池。
3、行走装置包括两个前轮和两个后轮，转向机构有两个且分别设在底架的前部和后部，位于前部的转向机构与两个前轮相连，位于后部的转向机构与两个后轮相连。
4、第一箱体的前侧设有第二箱体，驱动装置通过安装架设在第二箱体内部，其执行端伸出第二箱体的底部，破冰机构或清洁机构分别安装在驱动装置的执行端，驱动装置的执行端带动破冰机构上下往复运动对海面的冰层进行破碎，或者，驱动装置的执行端调节清洁机构的高度，对光伏结构的太阳能板表面进行清理。
5、第二箱体的后侧通过升降调节机构与第一箱体活动相连，升降调节机构驱动第二箱体和驱动装置相对于底架升高或降低，所述第二箱体的前侧下部设有喷水组件，所述喷水组件通过软管及电控阀与储水箱相连。
6、电控单元包括plc控制器、信号转换模块、陀螺仪传感器和激光雷达传感器，plc控制器和信号转换模块设置在第一箱体的内部，陀螺仪传感器安装在第一箱体顶部，激光雷达传感器设置在第二箱体的前侧。
7、所述第一箱体的左右两侧分别设有两组双目摄像头，所述陀螺仪传感器、激光雷达传感器及双目摄像头分别与plc控制器通讯相连。
8、进一步地，每个前轮和后轮均通过一个轮架设在底架的侧面，所述轮架的顶部通过立轴与底架转动相连，立轴的上端穿出底架与转向机构相连。
9、轮架上安装有第一伺服电机，前轮或后轮与对应的轮架转动配合，所述第一伺服电机驱动前轮或后轮转动，第一伺服电机由可充电锂电池为其供电，第一伺服电机的信号端与plc控制器通讯相连。
10、进一步地，底架的前部和后部分别设有一个横梁，两个转向机构分别设置在两个横梁上且前后相对布置。
11、转向机构包括齿条座、第一连杆、第二连杆、第二伺服电机和齿轮齿条组件，齿条座位于横梁上方，其底部与横梁横向滑动配合，第二伺服电机安装在底架上，其输出端通过齿轮齿条组件驱动齿条座相对于底架左右移动。
12、齿条座的左右两端分别设有第一连杆，第一连杆通过第二连杆与同侧立轴相连，齿条座左右移动时，通过第一、第二连杆带动其两侧的轮架绕立轴同步且同向转动。
13、进一步地，所述横梁的上表面具有横向延伸的燕尾滑槽，燕尾滑槽内部设有与其相匹配的导滑块，导滑块的顶部与齿条座固定相连。
14、齿轮齿条组件包括直齿条和直齿轮，直齿条固定于齿条座的前侧后侧，直齿轮固定安装在第二伺服电机的输出端，且与直齿条啮合。
15、各所述第一连杆的一端与齿条座的对应端铰接，其另一端与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端与同侧立轴的上端固定相连。
16、进一步地，第一箱体的内侧具有钢制骨架，其前侧壁具有向内凹陷成形的两个竖槽。
17、升降调节机构包括左右对称设置在第一箱体前侧的两组摇臂，每组摇臂包括一上一下平行布置的两个摇臂，各摇臂的后端伸至对应的竖槽内与第一箱体铰接，前端与第二箱体的后侧铰接。
18、每组摇臂的上方均设有一个电动伸缩缸，电动伸缩缸的缸体后端与设置在第一箱体前侧顶部铰接，其活塞杆前端与位于上方的摇臂的中部铰接，电动伸缩缸的信号端与plc控制器通讯相连，两个电动伸缩缸分别驱动两组摇臂同步运动。
19、进一步地，驱动装置包括曲轴、第三伺服电机和齿轮组件，所述曲轴横向水平设置在安装架的上部，且与安装架转动配合，第三伺服电机设在安装架上，其输出端通过所述齿轮组件驱动曲轴转动。
20、所述曲轴具有位于曲轴轴线两侧的两组曲拐，每组曲拐均包括至少两个曲拐，两组曲拐沿曲轴的轴向依次交替布置。
21、所述安装架的下部设有与曲轴的曲拐数量相等且位置一一对应的竖轴，每个竖轴均通过套设在其外部的导向套与安装架竖向滑动配合，竖轴的上端通过传动杆与对应曲拐的连杆轴颈活动相连。
22、进一步地，所述前轮和后轮均采用冰爪轮，冰爪轮包括轮毂和在轮毂外侧规则布置的若干个冰爪，冰爪为三角形的圆弧形金属板，其一侧与轮毂的圆周外壁焊接成一体，远离轮毂的一端为尖头状。
23、破冰机构包括破冰刀或者与竖轴数量相等且位置一一对应的冲击头，破冰刀为长条形金属板，其底部为双刃结构，破冰刀的顶部固定连接有刀座，刀座顶部通过连接部与其中一组曲拐对应的竖轴下端螺栓固定相连。
24、各所述冲击头的下部为尖头的圆锥形，冲击头竖向布置且上端与对应的竖轴螺栓固定相连。
25、进一步地，所述前轮和后轮均采用橡胶轮，喷水组件包供水管及多个喷头，供水管横向安装在第二箱体的前侧壁，其一端封闭，另一端与软管相连相通，所有喷头等间隔设置在供水管上。
26、所述第三伺服电机采用带刹车的伺服电机，清洁机构包括夹具和海绵擦头，所述夹具为长条形，横向水平布置在第二箱体的下方，其底部开设有安装槽，所述海绵擦头的顶部位于夹具的安装槽内，与夹具固定相连。
27、夹具的上方具有与同组曲拐数量相等且位置一一对应的杆体，各所述杆体的下端与夹具顶部固定相连，上端与对应的竖轴下端螺栓固定相连。
28、进一步地，所述底架的后部设置有螺旋推进装置，螺旋推进装置包括第四伺服电机、回转机构、螺旋桨和齿轮驱动机构，回转机构包括固定支撑座和回转支架，所述回转支架是由底板和圆弧侧板焊接构成的一体结构。
29、所述固定支撑座安装在底架后侧，所述底板位于固定支撑座上方并与其转动配合，齿轮驱动机构能够驱动回转支架相对于固定支撑座转动。
30、第四伺服电机设在固定支撑座的前侧，螺旋桨转动设置在回转支架上，第四伺服电机驱动螺旋桨正向或反向转动。
31、进一步地，圆弧侧板上固定嵌设有轴承套，所述螺旋桨的桨轴穿设在轴承套内并与其转动相连，螺旋桨的桨轴前端通过万向联轴器与第四伺服电机的输出端相连。
32、齿轮驱动机构包括第一齿轮、圆弧齿条和第五伺服电机，第五伺服电机安装在固定支撑座的下方一侧，第一齿轮设置在第五伺服电机的输出轴上，圆弧齿条安装在回转支架的外侧，与第一齿轮啮合。
33、通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：与现有技术相比，本发明具有如下的优点：本发明公开的用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，通过其冰爪轮实现在冰面上行走，到达漂浮式海洋光伏结构外围，驱动装置带动冲击头或破冰刀上下运动对冰面进行破冰，由近及远将冰层破碎，消除浮冰对海洋光伏结构的破坏，替代人工进行自动化破冰，破冰效率高，降低成本。同时，通过更换行走轮和清洁机构，本发明可实现在光伏太阳能板上行走，替代人工对太阳能板表面喷水并通过海绵擦头对其进行清理，使用一部设备实现破冰和清洁的功能，降低设备投入，清洁效率高，作业过程中出现落水的情况下，能够自行攀爬并回到冰面或太阳能板表面，调整姿态后继续工作，有效避免人工操作落水的风险，安全性大幅提高。
技术特征：
1.一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，其特征在于，包括底架、行走装置、第一箱体、转向机构、驱动装置、破冰机构、清洁机构和电控单元，所述底架为水平布置的方形钢架结构，第一箱体固定安装在底架的上方，第一箱体的内部设有储水箱和可充电锂电池；
2.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，其特征在于，每个前轮和后轮均通过一个轮架设在底架的侧面，所述轮架的顶部通过立轴与底架转动相连，立轴的上端穿出底架与转向机构相连；
3.根据权利要求2所述的一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，其特征在于，底架的前部和后部分别设有一个横梁，两个转向机构分别设置在两个横梁上且前后相对布置；
4.根据权利要求3所述的一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，其特征在于，所述横梁的上表面具有横向延伸的燕尾滑槽，燕尾滑槽内部设有与其相匹配的导滑块，导滑块的顶部与齿条座固定相连；
5.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，其特征在于，第一箱体的内侧具有钢制骨架，其前侧壁具有向内凹陷成形的两个竖槽；
6.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，其特征在于，驱动装置包括曲轴、第三伺服电机和齿轮组件，所述曲轴横向水平设置在安装架的上部，且与安装架转动配合，第三伺服电机设在安装架上，其输出端通过所述齿轮组件驱动曲轴转动；
7.根据权利要求6所述的一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，其特征在于，所述前轮和后轮均采用冰爪轮，冰爪轮包括轮毂和在轮毂外侧规则布置的若干个冰爪，冰爪为三角形的圆弧形金属板，其一侧与轮毂的圆周外壁焊接成一体，远离轮毂的一端为尖头状；
8.根据权利要求6所述的一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，其特征在于，所述前轮和后轮均采用橡胶轮，喷水组件包供水管及多个喷头，供水管横向安装在第二箱体的前侧壁，其一端封闭，另一端与软管相连相通，所有喷头等间隔设置在供水管上；
9.根据权利要求1所述的一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，其特征在于，所述底架的后部设置有螺旋推进装置，螺旋推进装置包括第四伺服电机、回转机构、螺旋桨和齿轮驱动机构，回转机构包括固定支撑座和回转支架，所述回转支架是由底板和圆弧侧板焊接构成的一体结构；
10.根据权利要求9所述的一种用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，其特征在于，圆弧侧板上固定嵌设有轴承套，所述螺旋桨的桨轴穿设在轴承套内并与其转动相连，螺旋桨的桨轴前端通过万向联轴器与第四伺服电机的输出端相连；
技术总结
本发明公开用于漂浮式海洋光伏结构的清洁及破冰防护一体化机器人，包括底架、行走装置、第一箱体、转向机构、驱动装置、破冰机构、清洁机构和电控单元，第一箱体设在底架上方，行走装置包括两个前轮和两个后轮。第一箱体的前侧设有第二箱体，驱动装置通过安装架设在第二箱体内，破冰机构或清洁机构可分别安装在驱动装置的执行端，驱动装置的执行端带动破冰机构上下往复运动，或调节清洁机构的高度并对太阳能板表面清理，第二箱体通过升降调节机构与第一箱体活动相连。本发明能够实现在冰面或光伏板上行走，对海洋光伏结构外围破冰，破冰效率高，降低成本，同时，替代人工对太阳能板表面进行清理，降低设备投入，清洁效率高，安全性更佳。
技术研发人员：张雨坤,李大勇,何平圣,张磊
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23