Мобильный робототехнический комплекс и способ его применения для отбора проб на водоемах и водотоках
MOBILE ROBOTIC COMPLEX AND METHOD OF APPLICATION THEREOF FOR SAMPLING AT WATER RESERVOIRS AND STREAMS

Для проведения экологического мониторинга территорий должен регулярно выполняться периодический отбор проб воды из водоемов и водотоков. Соответственно, актуальной является автоматизация процесса отбора проб из открытых водных объектов, для решения которой разработан мобильный робот - роботизированный комплекс технических средств, архитектура которого приведена на фиг. 1:
транспортное судно на воздушной подушке (СВП) 1 - носитель основного оборудования, перемещаемого по водоемам, водотокам 2 и береговым территориям;
установленный на транспортном судне манипулятор отбора проб воды в заборную емкость на заданной глубине и перелива проб в транспортный контейнер 3;
установленный на транспортном судне манипулятор загрузки проб в перемещаемые транспортные контейнеры 4;
информационно-управляющая система (ИУС) 5 в составе подсистем: транспортного судна, манипулятора отбора проб и манипулятора загрузки проб в контейнеры;
система дистанционного контроля и управления (СДКУ) 6, установленная на внедорожном транспортном средстве 7, размещаемом на береговых позициях обследуемого объекта.
Транспортное судно применяется как беспилотное, дистанционно управляемое (из кабины внедорожного транспортного средства, с применением пульта управления СДКУ) или мануально управляемое (из каюты, с применением пульта управления ИУС). Манипуляторы применяются как автоматические, дистанционно управляемые или мануально управляемые.
На фиг. 1 выделены: каюта транспортного судна 8; ходовой модуль СВП 9 - двигательная установка, воздушный винт, рули управления курсом и тангажом; окно 10 в днище СВП для доступа пробоотборной емкости к водной поверхности; кабина внедорожного автомобиля 11.
Дополнительно в состав комплекса вводится внедорожное транспортное средство - автомобиль с прицепом - трейлером для перевозки судна на воздушной подушке.
Информационная связь между ИУС и СДКУ обеспечивается по радиоканалам.
Манипулятор отбора проб 3 состоит из набора конструктивных модулей, представленных на фиг. 2 - вид сбоку:
каретка вертикального перемещения заборной емкости 12, с направляющей трубкой 13;
пробоотборная емкость 14 со встроенной в верхнюю крышку открытой трубкой забора воды, со встроенным в нижнюю крышку краном выгрузки проб, оснащенным поворотной ручкой, выходящей за стенку емкости;
колонна вертикального перемещения каретки с пробоотборной емкостью 15, со встроенным программно управляемым линейным электроприводом: ходовой винт с гайкой 16, соединенной с кареткой, шаговый электродвигатель 17;
основание колонны 18 со встроенным блоком вращения колонны вокруг вертикальной оси с программно управляемым шаговым электроприводом;
упор 19 для перемещения поворотной ручки крана выгрузки проб в исходное состояние;
контрольные концевые выключатели 20, 21 - датчики предельных положений каретки, верхнего и нижнего.
Работа манипулятора обеспечена наличием в днище транспортного судна окна доступа к поверхности водного объекта 10, показанного на фиг. 1 и фиг. 2.
Разгрузка пробоотборной емкости производится в транспортные контейнеры, установленные в манипуляторе загрузки проб 4, показанного на фиг. 1 и фиг. 2.
Функционирование шаговых электроприводов производится с применением блоков связи электродвигателей и датчиков положения с подсистемой ИУС, управляющей манипулятором.
Колонна 15, фиг. 2, манипулятора отбора проб показана на фиг. 3 - вид сверху.
Пробоотборная емкость 14, фиг. 2, показана на фиг. 3 с различными состояниями ручки крана, характерными для рабочих положений манипулятора: 22, 23, 24, 25.
Манипулятор в начале выполнения технологического процесса устанавливает пробоотборную емкость 14 в исходное состояние 22, с применением линейного и кругового электроприводов, упора для перемещения поворотной ручки крана, затем циклически выполняет операции, обеспечивающие, отбор проб через окно в днище судна, выгрузку проб в транспортные контейнеры, промывку емкости, возврат емкости в исходное положение. Манипулятор отбора проб, при выполнении приведенных выше операций:
перемещает пробоотборную емкость с закрытым краном в положение 23 над окном для отбора проб в днище транспортного судна, с применением кругового электропривода;
опускает емкость на заданную для отбора пробы глубину, с заданной скоростью;
выдерживает емкость на заданной для отбора пробы глубине, в течение заданного для заполнения пробой времени;
извлекает емкость из окна для отбора проб, поднимает на высоту, требуемую для работы с манипулятором выгрузки проб в контейнеры;
перемещает емкость в положение 24 для выгрузки пробы в транспортный контейнер;
опускает пробоотборную емкость для ввода нижнего патрубка крана емкости в горловину транспортного контейнера и перемещения ручки крана в положение «открыт» упором в стенку транспортного кейса;
выдерживает емкость над транспортным контейнером в течение заданного для выгрузки пробы времени;
поднимает емкость для вывода нижнего патрубка крана емкости из транспортного контейнера;
перемещает емкость из положения 24 в положение 22, затем обеспечивает закрытие крана, с применением упора 19, перемещением емкости вверх;
перемещает емкость в положение 25, поднимает емкость для ввода в верхнюю трубку емкости штуцера соединения с блоком промывочной жидкости 26, на время заполнения емкости;
перемещает пробоотборную емкость в положение 23, затем обеспечивает открытие крана при опускании емкости с заданной скоростью в окно 10 - поворот ручки крана в положение «открыто» упором в край окна;
выдерживает емкость в положении, заданном для сброса в окно промывочной жидкости, в течение заданного времени, затем поднимает емкость вверх, извлекает из окна;
возвращает емкость в исходное состояние, 22, с применением линейного и кругового электроприводов, упора для перемещения поворотной ручки крана.
Блок промывочной жидкости 26 манипулятора отбора проб, установленный на транспортном судне, содержит: бак с жидкостью, программно управляемый от ИУС насос, соединительный трубопровод со штуцером ввода жидкости в пробоотборную емкость.
Манипулятор загрузки проб в перемещаемые транспортные контейнеры 4, фиг. 1, состоит из модулей, показанных на фиг. 4 - вид сверху и фиг. 5 - вид сбоку: несущее основание каретки манипулятора 27;
каретка 28 с транспортными контейнерами 29 (7 ед. на фиг. 4 и фиг. 5), установленными в транспортном кейсе 30; количество контейнеров и кейсов, устанавливаемых в каретку, определяется при рабочем проектировании манипулятора, при определении программы работ;
колонна горизонтального перемещения каретки 31, фиг. 5 (по оси Y, фиг. 2), со встроенным программно управляемым линейным электроприводом: ходовой винт с гайкой 32, соединенной с кареткой, и шаговый электродвигатель 33;
контрольные концевые выключатели 34, 35 - датчики предельных положений каретки;
рамка - фиксатор, применяемая для крепления транспортного кейса, 36, фиг. 4.
Транспортный контейнер 30 для загрузки и доставки проб воды состоит из компонентов: цилиндрический модуль заданного объема 36; съемная нижняя крышка контейнера 37; съемная верхняя крышка контейнера 38; горловина верхней крышки с пружинным клапаном 39.
Манипулятор отбора проб устанавливает пробоотборную емкость для выгрузки пробы в транспортный контейнер в положение 24, фиг. 3 и фиг. 4.
Манипулятор загрузки проб устанавливает очередной свободный транспортный контейнер в положение под пробоотборной емкостью. На фиг. 4 в положение загрузки установлен первый контейнер кейса. Загрузка контейнера выполняется манипулятором отбора проб по этапам:
ввод нижнего патрубка пробоотборной емкости в горловину контейнера, с одновременным открытием крана при повороте ручки с упором в стенку кейса; выдержка заданного времени для заполнения контейнера; вывод емкости вверх, из горловины контейнера.
Процесс циклически повторяется для каждого свободного контейнера. На циклах загрузки выполняется перемещение контейнеров манипулятором загрузки проб, до заполнения последнего; затем манипулятором производится возврат каретки в исходное положение.
Установка свободных и извлечение заполненных контейнеров в кейсах выполняется оператором робототехнического комплекса на маршрутах перемещения или на береговых территориях.