CN105216990B - 一种自适应调节清扫深度的船体附着物清扫机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应调节清扫深度的船体附着物清扫机构，由预清扫检测机构、清扫深度控制机构、滚刀清扫机构和机架组成，预清扫检测机构、扫深度控制机构的左右两侧各固定连接机架，预清扫检测机构正后方是清扫深度控制机构，清扫深度控制机构正下方是滚刀清扫机构；预清扫检测机构1对前方的附着物清扫，检测出前方待清扫物凸起的上下厚度，清扫深度控制机构根据该厚度调节滚刀清扫机构；能自动感应船体附着物情况，同时反馈并控制清扫深度，保证了船体的清扫质量，避免清扫时对船体造成的伤害。

Description

一种自适应调节清扫深度的船体附着物清扫机构

技术领域

本发明涉及水下船体清扫机器人技术，特别是一种能调节清扫深度的清扫结构。

背景技术

船舶在海上行驶中始终面临着一个共同的问题，就是长期浸泡在水中的船舶，其表面都很容易被海蛎、藻类、贝壳、藤壶等附着物纠缠，海蛎、藻类、贝壳会在船体上飞速生长，严重影响船舶的行驶成本和效率；藤壶分布甚广，数量繁多，密集成堆，任凭风吹浪打也冲刷不掉，几乎任何海域的潮间带至潮下带浅水区都有藤壶。藤壶分泌出的一种粘性胶含有多种生化成份并具有极强的粘合力，若想用手把它从附着物上拨下几乎不可能，必须藉助凿子类的硬金属才能将它敲下来。藤壶附着在船舶底部，会大大降低航速，需进行频繁的周期性维护，耗资巨大。

船体表面清扫主要分为坞内清扫和水下清扫两类。坞内清扫是一种比较干净彻底的方法，然而却需要船舶停止航行，进入船坞内进行。水下清扫一般包括人工清扫和机器人的清扫，人工清扫需要人潜水到船底进行作业，受水下环境影响，效率并不高，而且还存在安全隐患。目前已有的水下清扫机构对于顽固的贝类和较长的藻类植物不能很好地清扫，还会损伤船体。因此，如何才能做到既不影响船舶的正常工作，又能把船舶清扫干净且不对船舶表面造成伤害，成为亟待解决的问题。

发明内容

为克服现有船体清扫技术存在的问题，本发明提供一种自适应调节清扫深度的船体附着物清扫机构。

本发明采用的技术方案是：本发明由预清扫检测机构、清扫深度控制机构、滚刀清扫机构和机架组成，预清扫检测机构、预扫深度控制机构的左右两侧各固定连接机架，预清扫检测机构正后方是清扫深度控制机构，清扫深度控制机构正下方是滚刀清扫机构；预清扫检测机构1对前方的附着物清扫，检测出前方待清扫物凸起的厚度，清扫深度控制机构根据该厚度调节滚刀清扫机构上下高度。

进一步地，预清扫检测机构最下方是清扫刷盘，清扫刷盘正中心固定连接清扫盘轴下端，清扫盘轴上端连接预清扫模块电机的输出轴；预清扫模块电机的电机壳体前侧面上固定连接齿条，齿条前方是与其啮合的齿轮，齿轮固定套在齿轮轴右端，齿轮轴左端连接编码器；电机壳体上方固定连接预清扫模块定位杆，预清扫模块定位杆中间套有复位弹簧，预清扫模块定位杆上端固定连接预清扫模块上底板；清扫深度控制机构的最上方是深度控制模块上底板，深度控制模块定位杆上端固定连接深度控制模块上底板、下端固定连接滚刀清扫机构的滚刀模块底盘；深度控制模块上底板的下方设有两个步进电机，两个步进电机在深度控制模块上底板的下方中间左右各一，两个步进电机经各自的步进电机壳盖固定连接所述深度控制模块上底板；步进电机输出轴连接丝杆上端，丝杆下端经螺母固定连接所述滚刀模块底盘；所述滚刀模块底盘位于所述滚刀清扫机构最下方，滚刀模块底盘上方连接滚刀模块电机和清扫滚刀，滚刀模块电机的输出轴前后方向布置并连接蜗杆后端，蜗杆下方是与其啮合的蜗轮，蜗轮左右侧各有一组清扫滚刀，每组清扫滚刀均通过花键与其滚刀轴连接，滚刀轴同轴穿过蜗轮并固定连接蜗轮；编码器经信号线连接于控制器，控制器经控制线分别连接预清扫模块电机、步进电机和滚刀模块电机。

本发明的有益效果是：

1、本发明在前方利用清扫刷盘作为位移检测装置，在反应船体状况的同时，也能起到清扫的作用，与滚刀形成双重清扫，提高清扫效率。在清扫船体时，针对船体焊缝等凸出部分的撞击问题， 能自动感应船体附着物情况，同时反馈并控制清扫深度。

2、本发明在检测前方船体有凸起时，滚刀清扫机构能抬起以回避船体的凸起部分，此功能不仅保证了船体的清扫质量，同时避免清扫时对船体造成伤害。

3、本发明中的清扫滚刀由铲状刀具和尖锐刀片组成，可以清扫藤壶和藻类植物，使清扫更彻底。

4、本发明可连接柔性联轴器形成模块化，可对多个清扫模块进行串联，进行高效的清扫，同时又便于本发明的生产与装配。

附图说明

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明；

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的分解图；

图3是图1中预清扫检测机构的立体图；

图4是图3所示预清扫检测机构的爆炸图；

图5是图1中清扫深度控制机构的立体图；

图6是图5所示清扫深度控制机构的局部爆炸图；

图7是图1中滚刀清扫机构的立体放大图；

图8是图7所示滚刀清扫机构的局部示意图；

图9是本发明第一种应用例的状态图；

图10是本发明第二种应用例的状态图。

图中：100.预清扫检测机构；101.清扫刷盘；102.齿轮；103.铜轴套；104.齿轮轴；105.柔性联轴器；106.编码器；107.编码器支座；108.直角固定片；109.齿条；110.螺母；111.预清扫模块底盘；112.复位弹簧；113.预清扫模块定位杆；114.电机壳盖；115.电机壳体；116.预清扫模块电机；117.联轴器；118.清扫盘轴；119.传动轴连接盘；

200.清扫深度控制机构；201.螺母；202.深度控制模块定位杆；203.深度控制模块上底板；204.步进电机壳体；205.丝杆；206.螺母；207.步进电机；208.防水橡胶垫圈；209.步进电机壳盖；

300.滚刀清扫机构；301.滚刀模块底盘；302.滚刀；303.铜轴套；304.蜗杆；305.滚刀模块电机；306.滚动轴承座；307.滚刀轴；308.蜗轮；309.联轴器；310.铲状刀具；311.含刀锋刀片；

400.机架；500.履带模块。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明由预清扫检测机构100、清扫深度控制机构200、滚刀清扫机构300和机架400组成。预清扫检测机构100左右两侧各通过螺栓固定在机架400上，在预清扫检测机构100的正后方是清扫深度控制机构200，清扫深度控制机构200的左右两侧各通过螺栓固定在机架400上。在清扫深度控制机构200的正下方是滚刀清扫机构300，滚刀清扫机构300连接于清扫深度控制机构200。

参见图3和图4，预清扫检测机构100包括预清扫模块电机116、清扫刷盘101、齿轮102、齿轮轴104、柔性联轴器105以及编码器106。预清扫检测机构100的最下方是清扫刷盘101，清扫刷盘101正中心固定连接清扫盘轴118下端，清扫盘轴118上端经联轴器117连接于预清扫模块电机116的输出轴。在清扫盘轴118下端外套有传动轴连接端盖119。清扫盘101、清扫盘轴118、联轴器117、传动轴连接端盖119以及预清扫模块电机116的输出轴的中心线全都重合。

预清扫模块电机116放置在电机壳体115内并由电机壳盖114密闭封装。预清扫模块电机116的电机壳体115的前侧面上固定连接齿条109，将齿条109通过其背面的上下两个直角固定片108固定在电机壳体115上。齿条109与预清扫模块电机116的输出轴相平行。齿条109的前方是与其啮合的齿轮102，齿轮102中心轴与预清扫模块电机116的输出轴相正交。齿轮102固定套在齿轮轴104的右端，齿轮轴104的左端经柔性联轴器105连接编码器106。齿轮102左侧的齿轮轴104上套有铜轴套103以轴向固定齿轮102。编码器106通过螺栓固定连接于编码器支座107，编码器支座107通过螺栓固定在预清扫模块上底板111上。齿轮102、铜轴套103、齿轮轴104、柔性联轴器105以及编码器106的中心线全都重合。

电机壳体115的上方固定连接预清扫模块定位杆113，本发明有4根清扫模块定位杆113分布在电机壳体115上方四角处。将每个预清扫模块定位杆113的下端固定连接电机壳盖114，每个预清扫模块定位杆113中间套有复位弹簧112，预清扫模块定位杆113的上端通过螺母110固定连接于预清扫模块上底板111。

清扫刷盘101在该机构向前行走的过程中旋转，对船体表面的附着物进行初步的清扫，同时清扫刷盘面在复位弹簧112的作用下紧贴附着物表面，当遇到船体凸起物时，比如焊缝，为了防止刀具碰撞到船体，清扫刷盘101沿预清扫模块定位杆113向上移动，带动电机壳体115和齿条109也向上移动，进而使齿轮102旋转，同时使编码器106得到位移值，该值最终对应着滚刀清扫机构300的竖直位移值，所以随后将其反馈给清扫深度控制机构200中的步进式电机207用来实现对刀具竖直位移的控制。

参见图5至图6，清扫深度控制机构200包括深度控制模块定位杆202、步进电机207以及深度控制模块上底板203。清扫深度控制机构200的最上方是深度控制模块上底板203，4根深度控制模块定位杆202上端分别固定连接于深度控制模块上底板203的四角处。4根深度控制模块定位杆202下端分别由螺母201固定在滚刀清扫机构的滚刀模块底盘301上。在深度控制模块上底板203的下方设有两个步进电机207，两个步进电机207在深度控制模块上底板203的下方中间左右各一，步进电机207放置在步进电机壳体204内，步进电机壳体204上端是步进电机壳盖209，步进电机壳盖209通过防水橡胶垫圈208与步进电机壳体204密封，将步进电机壳盖209固定连接深度控制模块上底板203。步进电机207的输出轴连接丝杆205上端，丝杆205下端外部套有螺母206，螺母206下端固定连接在滚刀清扫机构的滚刀模块底盘301上。螺母206、丝杆205以及步进式电机207输出轴的中心线全都重合。

滚刀清扫机构300通过四根深度控制模块定位杆202定位在清扫深度控制机构200的正下方，深度控制模块定位杆202的中心线与深度控制模块上底板203上相对应的孔的中性线重合，通过清扫深度控制机构200上的丝杆205和滚刀清扫机构300上的螺母206连接，各丝杆205的中心线与与之相对应的螺母206的中心线重合，从而实现滚刀清扫机构300在竖直方向的位移及清扫的深度。

参见图7至图8，滚刀清扫机构300包括滚刀模块底盘301、清扫滚刀302、蜗杆304以及滚刀模块电机305。滚刀清扫机构300最下方是所述滚刀模块底盘301，滚刀模块底盘301上方连接滚刀模块电机305和清扫滚刀302等。滚刀模块电机305采用潜水电机，通过螺栓固定在滚刀模块底盘301上，滚刀模块电机305的输出轴前后方向布置，滚刀模块电机305的输出轴连接蜗杆304后端，蜗杆304也前后方向布置，蜗杆304前端和后端各套有一个铜轴套303，对蜗杆304进行轴向固定。铜轴套303、蜗杆304以及滚刀模块电机305的输出轴的中心线全都重合。

蜗杆304的下方是与其啮合的蜗轮308，蜗轮308的中心线与蜗杆304的中心线相正交，蜗轮308的中心线左右布置。在蜗轮308的左右侧各有一组清扫滚刀302，两组清扫滚刀302之间通过联轴器309同轴连接在一起，每组清扫滚刀302均通过花键与其滚刀轴307连接，其中一组清扫滚刀302的滚刀轴307同轴穿过蜗轮308并与蜗轮308固定连接，由蜗轮308带动两组清扫滚刀302同轴旋转。两组清扫滚刀302分别通过各自的滚动轴承座306固定连接滚刀模块底盘301，滚动轴承座306用来承载滚刀轴307和清扫滚刀302。滚动轴承座306、清扫滚刀302、蜗轮308、联轴器309以及滚刀轴307的中心线全都重合。

每组清扫滚刀302均具有铲状刀具310和含刀锋刀片311。铲状刀具310由硬质塑料制成，铲状刀具310的材质硬度远小于船体表面硬度，同时又拥有一定的柔性。含刀锋刀片311由不锈钢制成，比较锋利，含刀锋刀片311和铲状刀具310沿圆周方向均匀错落分布，含刀锋刀片311的半径小于铲状刀具310的半径，可以防止刀刃刮到船体表面。

滚刀模块底盘301通过4个深度控制模块定位杆202进行上下的移动，上下位移的深度由其正上方的步进电机207和丝杆205控制。滚刀模块电机305通过蜗杆304和蜗轮308的传动，将动力传递给滚刀轴307及两组清扫滚刀302，使清扫滚刀302滚动进行清扫。清扫时，铲状刀具310可以铲除附着在船体表面的藤壶等块状坚硬物，可以更好清除附着物而不刮坏船体表面；含刀锋刀片311可以轻易割断藻类植物其作，防止因藻类植物在清扫滚刀302上的缠绕而影响清扫效率。每个清扫滚刀302的圆周方向上均匀错落的分布4个铲状刀具310和4个含刀锋刀片311，使清扫效果更显著。

编码器106经信号线连接于控制器（图中省略了控制器），控制器经不同的控制线分别连接预清扫模块电机116、步进电机207、滚刀模块电机305。

本发明工作时，预清扫检测机构100能够对前方的附着物进行一个初步的简单清理，其主要作用为检测出前方待清扫物凸起的厚度，并且将厚度信息反馈给控制器，根据厚度以控制清扫深度控制机构200，再由清扫深度控制机构200对滚刀清扫机构300的清扫深度进行调节控制，从而实现该清扫机构对船面的自适应清扫。具体是：

控制器启动预清扫模块电机116，清扫刷盘101接触到船体表面物体后，在清扫的同时，当遇到船体凸起物时，在复位弹簧112的作用下，清扫刷盘101沿预清扫模块定位杆113向上移动，并带动预清扫模块电机116和齿条109一起向上移动，进而带动齿轮102旋转使编码器106得到齿轮102的转动角度，用来实现刀具位移的控制。

编码器106将齿轮102的旋转角度值传递给控制器（控制器未在图中显示），控制器将齿轮102的旋转值转换为步进电机207的旋转角度值。经过一段时间T后，控制器将转化后的步进电机207的旋转角度值传递给步进电机207，步进电机207得到角度值后旋转相应的角度，以带动丝杆205在向上竖直方向位移。丝杆205的位移带动下方的滚刀清扫机构300向上作相应的运动，使滚刀清扫机构300向上抬起以回避船体的凸起部分，同时滚刀清扫机构300运动到对应的位置后，使清扫滚刀302在正确的位置进行清扫。

所述的时间差T由清扫刷盘101与滚刀模块302之间的距离与整个清扫机构运动速度的比值决定。随着清扫刷盘101不断地向前运动，也就不断地得到位移值，因而能不间断地使步进电机207的输出轴旋转带动丝杆205以及螺母206，使与滚刀清扫机构300固连的螺母206实现滚刀清扫机构300沿上下竖直方向准确地按时移动，因此可以更准确的清扫，改善清扫效果。

参见图9，本发明使用时，将机架400的左右两侧各连接履带模块500，机架400与履带模块500分别通过两根轴固定连接；至此整个清扫机构与履带模块500构成一个完整的清扫装置；履带模块500采用永磁体履带，使清扫机构可以紧贴在船体表面并且带动本发明移动。

参见图10，将机架400与履带模块500连接的两个轴孔供多个本发明清扫机构通过铰链机构进行相互并联；两个以上的本发明清扫机构进行级联之后，再在左右分别两侧连接履带，从而构成可更大范围清扫的级联清扫装置。

Claims (4)

1.一种自适应调节清扫深度的船体附着物清扫机构，由预清扫检测机构（100）、清扫深度控制机构（200）、滚刀清扫机构（300）和机架（400）组成，预清扫检测机构（100）、清扫深度控制机构（200）的左右两侧各固定连接机架（400），预清扫检测机构（100）正后方是清扫深度控制机构（200），清扫深度控制机构（200）正下方是滚刀清扫机构（300）；预清扫检测机构（100）对前方的附着物清扫，检测出前方待清扫物凸起的上下厚度，清扫深度控制机构（200）根据该厚度调节滚刀清扫机构（300）上下高度，其特征是：预清扫检测机构（100）最下方是清扫刷盘（101），清扫刷盘（101）正中心固定连接清扫盘轴（118）下端，清扫盘轴（118）上端连接预清扫模块电机（116）的输出轴；预清扫模块电机（116）的电机壳体（115）前侧面上固定连接齿条（109），齿条（109）前方是与其啮合的齿轮（102），齿轮（102）固定套在齿轮轴（104）右端，齿轮轴（104）左端连接编码器（106）；电机壳体（115）上方固定连接预清扫模块定位杆（113），预清扫模块定位杆（113）中间套有复位弹簧（112），预清扫模块定位杆（113）上端固定连接预清扫模块上底板（111）；清扫深度控制机构（200）的最上方是深度控制模块上底板（203），深度控制模块定位杆（202）上端固定连接深度控制模块上底板（203）、下端固定连接滚刀清扫机构（300）的滚刀模块底盘（301）；深度控制模块上底板（203）的下方设有两个步进电机（207），两个步进电机（207）在深度控制模块上底板（203）的下方中间左右各一个，两个步进电机（207）经各自的步进电机壳盖（209）固定连接所述深度控制模块上底板（203）；步进电机（207）输出轴连接丝杆（205）上端，丝杆（205）下端经螺母（206）固定连接所述滚刀模块底盘（301）；所述滚刀模块底盘（301）位于所述滚刀清扫机构（300）最下方，滚刀模块底盘（301）上方连接滚刀模块电机（305）和清扫滚刀（302），滚刀模块电机（305）的输出轴前后方向布置并连接蜗杆（304）后端，蜗杆（304）下方是与其啮合的蜗轮（308），蜗轮（308）左右侧各有一组清扫滚刀（302），每组清扫滚刀（302）均通过花键与其滚刀轴（307）连接，滚刀轴（307）同轴穿过蜗轮（308）并固定连接蜗轮（308）；编码器（106）经信号线连接于控制器，控制器经控制线分别连接预清扫模块电机（116）、步进电机（207）和滚刀模块电机（305）。

2.根据根据权利要求1所述自适应调节清扫深度的船体附着物清扫机构，其特征是：每组清扫滚刀（302）均具有铲状刀具（310）和含刀锋刀片（311），含刀锋刀片（311）和铲状刀具（310）沿圆周方向均匀错落分布，含刀锋刀片（311）的半径小于铲状刀具（310）的半径。

3.根据根据权利要求2所述自适应调节清扫深度的船体附着物清扫机构，其特征是：铲状刀具（310）的材质硬度小于船体表面硬度，含刀锋刀片（311）由不锈钢制成。

4.根据根据权利要求1所述自适应调节清扫深度的船体附着物清扫机构，其特征是：两组清扫滚刀（302）之间通过联轴器（309）同轴连接在一起，其中一组清扫滚刀（302）的滚刀轴（307）同轴穿过蜗轮（308）并与蜗轮（308）固定连接；两组清扫滚刀（302）分别通过各自的滚动轴承座（306）固定连接滚刀模块底盘（301）。