CN107985526B - 清除水下船体附着物的机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种清除水下船体附着物的机器人，属于船舶清洗技术领域，清除水下船体附着物的机器人，包括机架，机架为长方体，侧面设置有推进器，推进器上设有桨叶，桨叶内部中空，中部设有隔板，隔板上下表面与桨叶中空内壁之间连接有均布的支撑条，底面均布四个清扫器，表面中部设有蓄电池，蓄电池表面连接有控制面板，蓄电池表面还通过伸缩杆连接有太阳能接收板，机架表面四周均设摄像头和探测灯，机架一侧面还连接有吸附装置，本发明的机器人可清除船体附着物同时涂抹涂料，水中稳定性好，水下作业能力和续航能力强。

Description

清除水下船体附着物的机器人
技术领域
本发明属于船舶清洗领域，特别是涉及一种清除水下船体附着物的机器人。
背景技术
因为海水的强烈腐蚀性和海洋生物顽固的附着力，在舰船下水一段时间后，船体上就会附着大量的藤壶类、藻类海洋生物以及锈斑等。这些附着物的存在一方面加速了船体的腐蚀，另一方面增加了舰船的阻力，使舰船航行速度下降，限制了舰船战斗力的发挥。从目前的技术水平来看，通过涂敷防污涂料可以抑制海洋生物的生长，但并不能达到一劳永逸的效果；定期坞修无论从经费和时间还是舰船的停航的时间上，其代价都是非常巨大的，而且对于军用舰艇来说，频繁的坞修还容易造成目标的暴露。采用水下清洗技术可利用舰船停泊期间，随时对船体进行水下清洗，既不影响舰船航行，又能节省可观的经费和时间。但是水下清理的工作可能会遇到水下能见度低或因操作不当而导致有视野盲区的出现从而无法准确操作机器完成清除工作，或是机器在工作前电量不足或是工作时续航不足的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可清除船体附着物同时涂抹涂料，水中稳定性好，水下作业能力和续航能力强的清除水下船体附着物的机器人。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：清除水下船体附着物的机器人，包括机架，机架为长方体，侧面设置有推进器，推进器上设有桨叶，桨叶内部中空，中部设有隔板，隔板上下表面与桨叶中空内壁之间连接有均布的支撑条，底面均布四个清扫器，表面中部设有蓄电池，蓄电池表面连接有控制面板，蓄电池表面还通过伸缩杆连接有太阳能接收板，机架表面四周均设摄像头和探测灯，机架一侧面还连接有吸附装置，控制面板上设有与水面遥控装置采用信号连接，在水面采取遥控控制机器人在水下作业，利用清扫器对船体表面附着的海洋生物进行清扫，代替了人工清洗，清扫效果好且安全、成本低，而且整个清扫过程不需要潜水员支持，控制面板与水面遥控装置可实现在水下100米处进行人工指令完成清洗任务，清洗后的附着物还可被清扫器收集避免二次污染，中空的桨叶可减少机器人或桨叶的制造成本，并且增加桨叶的浮力，有利于桨叶的转动效率，利用摄像头和探测灯可解决水下能见度低或操作不当引起视野盲区导致清理附着物不全面等工作问题，并且通过设置的太阳能接收板为蓄电池持续充电有效解决续航或者点亮不足的情况出现。
优选的，机架各侧面中部通过连接杆与推进器连接，且相对应的面的推进器推进方向相同，推进器表面连接有声纳探测仪，利用推进器可实现机器人在水下自由移动，利于机器人在水下对船体各部位进行作业，采用声呐探测仪保证机器人对水中船体位置精准定位有效避免水下能见度低或操作不当引起视野盲区导致清理附着物不全面等工作问题。
优选的，支撑条与隔板的夹角α为30°～60°，支撑条与桨叶中空内壁连接处呈弯钩状，具有弯钩状的支撑条为桨叶提供足够的支撑强度，且在桨叶转动时或受到水流冲击产生旋转的同时使桨叶不受水流或暗流影响，即推进器不受暗流或水流影响，当桨叶受到水流或暗流冲击影响时，弯钩状的支撑条可吸收冲击了，冲击力集中于支撑条的弯钩处，随着承受的力的加大弯钩变形加大，当力减小时，弯钩将力释放复原，实现降低桨叶表面所承受的载荷，并且在桨叶承受水流或暗流冲击时，支撑条可使桨叶表面积发生变化，使桨叶表面各半径处的螺距角分布改变，提高桨叶的水动力性能，实现推进器不受暗流或水流影响，根据公式其中Cp为压力系数，n为桨叶转速，p为静态压力，r为桨叶旋转产生的圆的半径，为桨叶表面形变率，优选了支撑条与隔板的夹角范围，保证桨叶受水流或暗流冲击时桨叶表面会由于支撑条发生微量形变量，使桨叶表面积变化值处于优选范围内，推进器不受暗流或水流冲击影响，保证机器人在水下作业的稳定性，避免其被水流冲走或偏离工作范围。
优选的，清扫器为圆柱形，内部设有一内圆柱筒，内圆柱筒上部为收集腔，内圆柱筒中部设有收集板，收集板表面设有梯形孔，收集板底面连接有齿轮泵，齿轮泵的转轴上设有吸流叶片，转轴顶部连接有圆盘形的网板，网板底面均布有钢刷，内圆柱筒与清扫器壳体内壁形成涂料室，涂料室下部设有开合板，清扫器底部外臂均设有毛刷，在清扫器到达清扫位置时毛刷可对清扫位置上易清洗的附着物先清洗，再利用控制面板控制齿轮泵转动带动钢刷旋转实现对船体表面附着物清洗，在附着物被清洗下来后由于齿轮泵的转轴旋转的同时带动了吸流叶片形成向内吸力即实现清洗下来的附着物受到吸力向内圆柱筒移动，使附着物被收集到收集腔内，在清洗完成后控制面板开启开合板可释放涂料使之流到毛刷处，此时控制机器人在一定范围内移动，毛刷将涂料涂覆至船体表面，实现在清洗附着物后对船体进行涂刷涂料。
优选的，机架内部设有存储腔，收集腔与存储腔连接，连接处设有孔板，当收集的附着物进入收集腔后由于向内吸力的存在，附着物进一步顺着向内吸力到达存储腔，可实现机器人收集大量附着物而不被堵塞，且附着物收集量大。
优选的，机架侧面通过连接轴与机架侧面连接，连接轴底部连接有两根可绕连接轴转动的支撑杆，支撑杆上设有PLC控制器，另一根支撑杆上连接有水泵，支撑杆底部连接有三通阀，三通阀其中一支连接有吸盘，一支连接水管，水管另一端与另一根支撑杆上的三通阀连接，一支连接喷头，与喷头连接处设有电磁阀，PLC控制器分别与两个支撑杆上的电磁阀连接，利用吸盘吸附的方式实现机器人在水下船舶上固定使机器人在作业时稳定性大大提高，若出现推进器损坏的情况，可单独利用吸附装置实现机器人在船体上的位移。
优选的，水泵与水管连接，吸盘底部设有半球形密封腔，密封腔表面设有弧形撑板，在吸盘内部设置的密封腔上设置弧形撑板可形成双吸盘结构，半球形密封腔在吸盘对船体表面吸附时可增加吸盘吸力，并且在吸盘释放吸力时会产生弹力提高支撑杆再水中移动速度，即外部吸盘和内部弧形撑板，使吸附装置在移动的时候，吸盘取消吸力时内部还存在一定的吸力防止因瞬间取消吸力支撑杆失去在水中的稳定性，导致机器人在水中稳定性下降。
优选的，支撑条直径与桨叶的壁厚比为0.4-0.6:1，通过设置支撑条和桨叶壁厚比来保证支撑条的足够支撑强度及桨叶表面的微量变形程度范围，同时也避免桨叶壁厚过低无法承受水流冲击导致桨叶损坏。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：1)在水面采取遥控控制机器人在水下作业，利用清扫器对船体表面附着的海洋生物进行清扫，代替了人工清洗，清扫效果好且安全、成本低，而且整个清扫过程不需要潜水员支持；2)可实现在水下100米处进行人工指令完成清洗任务，清洗后的附着物还可被清扫器收集避免二次污染；3)中空的桨叶可减少机器人或桨叶的制造成本，并且增加桨叶的浮力，有利于桨叶的转动效率，增强机器人在水下移动灵活性和稳定性；4)利用摄像头、声纳探测仪和探测灯解决水下能见度低或操作不当引起视野盲区导致清理附着物不全面等工作问题；5)设置的太阳能接收板为蓄电池持续充电有效解决续航或者点亮不足的情况出现。
附图说明
图1为本发明清除水下船体附着物的机器人的示意图；
图2为本发明清扫器示意图；
图3为清扫器与机架内部连接示意图；
图4为吸附装置示意图；
图5为吸盘内部示意图；
图6为推进器示意图；
图7为桨叶剖面意图；
图8为本发明实施例5中两种负荷分布形式图；
图9为本发明实施例5中常规桨叶的剖面负荷弦向分布；
图10为本发明实施例5中本发明桨叶的剖面负荷弦向分布。
附图标记说明：1.机架；101.储存腔；102.孔板；2.控制面板；3.蓄电池；4.太阳能接收板；5.吸附装置；501.吸盘；501a.密封腔；501b.撑板；502.支撑杆；503.PLC控制器；504.水管；505.水泵；506.电磁阀；507.喷头；508.三通阀；509.连接轴；6.摄像头；7.探测灯；8.推进器；801.桨叶；802.声纳探测仪；801a.隔板；801b.支撑条；9.清扫器；901.收集腔；902.涂料室；903.网板；904.钢刷；905.收集板；906.齿轮泵；907.吸流叶片；908.出液室；909毛刷；10.连接杆。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
如图1、6、7所示，清除水下船体附着物的机器人，包括机架1，机架1为长方体，侧面设置有推进器8，推进器8上设有桨叶801，桨叶801内部中空，中部设有隔板801a，隔板801a上下表面与桨叶801中空内壁之间连接有均布的支撑条801b，底面均布四个清扫器9，表面中部设有蓄电池3，蓄电池3表面连接有控制面板2，蓄电池3表面还通过伸缩杆连接有太阳能接收板4，机架1表面四周均设摄像头6和探测灯7，机架1一侧面还连接有吸附装置5，控制面板2上设有与水面遥控装置采用信号连接，在水面采取遥控控制机器人在水下作业，利用清扫器9对船体表面附着的海洋生物进行清扫，代替了人工清洗，清扫效果好且安全、成本低，而且整个清扫过程不需要潜水员支持，控制面板2与水面遥控装置可实现在水下100米处进行人工指令完成清洗任务，清洗后的附着物还可被清扫器9收集避免二次污染，中空的桨叶801可减少机器人或桨叶801的制造成本，并且增加桨叶801的浮力，有利于桨叶801的转动效率，利用摄像头6和探测灯7可解决水下能见度低或操作不当引起视野盲区导致清理附着物不全面等工作问题，并且通过设置的太阳能接收板4为蓄电池3持续充电有效解决续航或者点亮不足的情况出现。
机架1各侧面中部通过连接杆10与推进器8连接，且相对应的面的推进器8推进方向相同，推进器8表面连接有声纳探测仪802，利用推进器8可实现机器人在水下自由移动，利于机器人在水下对船体各部位进行作业，采用声呐探测仪802保证机器人对水中船体位置精准定位有效避免水下能见度低或操作不当引起视野盲区导致清理附着物不全面等工作问题。
支撑条801b与隔板801a的夹角α优选为37°，支撑条801b与桨叶801中空内壁连接处呈弯钩状，具有弯钩状的支撑条801b为桨叶801提供足够的支撑强度，且在桨叶801转动时或受到水流冲击产生旋转的同时使桨叶801不受水流或暗流影响，即推进器8不受暗流或水流影响，当桨叶801受到水流或暗流冲击影响时，弯钩状的支撑条801b可吸收冲击了，冲击力集中于支撑条801b的弯钩处，随着承受的力的加大弯钩变形加大，当力减小时，弯钩将力释放复原，实现降低桨叶801表面所承受的载荷，并且在桨叶801承受水流或暗流冲击时，支撑条801b可使桨叶801表面积发生变化，使桨叶801表面各半径处的螺距角分布改变，提高桨叶801的水动力性能，实现推进器8不受暗流或水流影响，根据公式其中Cp为压力系数，n为桨叶转速，p为静态压力，r为桨叶旋转产生的圆的半径，为桨叶表面形变率，优选了支撑条801b与隔板801a的夹角α为37°，保证桨叶801受水流或暗流冲击时桨叶801表面会由于支撑条801b发生微量形变量，使桨叶801表面积变化量处于优选值范围内，推进器8不受暗流或水流冲击影响，保证机器人在水下作业的稳定性，避免其被水流冲走或偏离工作范围。
本发明的支撑条801b由以下成分及重量份组成：钛镍合金27份、铜锌合金6份、二氧化硅32份、硅烷耦合剂10份、石英砂35份、φ为0.01mm的金刚石10份，氟化钠24份、碳酸钙45份,石墨粉4份、三氯乙烯37份、亚甲基二萘磺酸钠40份、水玻璃15份、烷基酚聚氧乙烯醚34份，该弧形板902的制备方法如下：按重量份计，将钛镍合金、铜锌合金熔融形成金属水，备用，将二氧化硅、硅烷耦合剂、石英砂、φ为0.01mm的金刚石，氟化钠、碳酸钙、石墨粉、三氯乙烯、亚甲基二萘磺酸钠、环戊醇、水玻璃在64℃条件下混合均匀，加温至78℃持续37min后与金属水、混合物0.02重量份一起倒入模具中，得支撑条801b，其中混合物由L-脯氨酸甲酯盐酸盐和D-脯氨酸甲酯盐酸盐，两者质量比为52:3，在支撑条801b制备过程中通过加入混合物避免制备的支撑条801b内出现碳迁移的情况，提高支撑条801b的机械强度和表面光滑性，当支撑条801b从模具中出来降温时支撑条801b内部发生共晶反应赋予支撑条801b优异的防粘效果并且制备的支撑条801b的耐盐雾效果极好，支撑条801b表面接触角达到154.2°±1°，滚动角约4°，经测试支撑条801b的耐盐雾时间在552h以上，耐酸性可达到354h以上，耐碱性达到332h以上。
支撑条801b直径与桨叶801的壁厚比优选为0.47:1，通过设置支撑条801b和桨叶801壁厚比来保证支撑条801b的足够支撑强度及桨叶801表面的微量变形程度范围，同时也避免桨叶801壁厚过低无法承受水流冲击导致桨叶损坏。
实施例2：
如图2、3所示，本实施例在实施例1的基础上进一步优化为：清扫器9为圆柱形，内部设有一内圆柱筒，内圆柱筒上部为收集腔901，内圆柱筒中部设有收集板905，收集板905表面设有梯形孔，收集板905底面连接有齿轮泵906，齿轮泵906的转轴上设有吸流叶片907，转轴顶部连接有圆盘形的网板903，网板903底面均布有钢刷904，内圆柱筒与清扫器9壳体内壁形成涂料室902，涂料室902下部设有开合板，清扫器9底部外臂均设有毛刷909，在清扫器9到达清扫位置时毛刷909可对清扫位置上易清洗的附着物先清洗，再利用控制面板2控制齿轮泵906转动带动钢刷904旋转实现对船体表面附着物清洗，在附着物被清洗下来后由于齿轮泵906的转轴旋转的同时带动了吸流叶片907形成向内吸力即实现清洗下来的附着物受到吸力向内圆柱筒移动，使附着物被收集到收集腔901内，在清洗完成后控制面板2开启开合板可释放涂料使之流到毛刷处，此时控制机器人在一定范围内移动，毛刷909将涂料涂覆至船体表面，实现在清洗附着物后对船体进行涂刷涂料。
机架1内部设有存储腔101，收集腔901与存储腔101连接，连接处设有孔板102，当收集的附着物进入收集腔901后由于向内吸力的存在，附着物进一步顺着向内吸力到达存储腔101，可实现机器人收集大量附着物而不被堵塞，且附着物收集量大。
实施例3：
如图4、5所示，本实施例在实施例1的基础上进一步优化为：机架1侧面通过连接轴509与机架1侧面连接，连接轴509底部连接有两根可绕连接轴509转动的支撑杆502，支撑杆502上设有PLC控制器503，另一根支撑杆502上连接有水泵505，支撑杆502底部连接有三通阀508，三通阀508其中一支连接有吸盘501，一支连接水管504，水管504另一端与另一根支撑杆502上的三通阀508连接，一支连接喷头507，与喷头连接处设有电磁阀506，PLC控制器503分别与两个支撑杆502上的电磁阀506连接，利用吸盘吸附的方式实现机器人在水下船舶上固定使机器人在作业时稳定性大大提高，若出现推进器8损坏的情况，可单独利用吸附装置实现机器人在船体上的位移。
水泵505与水管504连接，吸盘501底部设有半球形密封腔501a，密封腔501a表面设有弧形撑板501b，在吸盘501内部设置的密封腔501a上设置弧形撑板501b可形成双吸盘结构，半球形密封腔501a在吸盘501对船体表面吸附时可增加吸盘501吸力，并且在吸盘501释放吸力时会产生弹力提高支撑杆502再水中移动速度，即外部吸盘501和内部弧形撑板501b，使吸附装置5在移动的时候，吸盘501取消吸力时内部还存在一定的吸力防止因瞬间取消吸力支撑杆502失去在水中的稳定性，导致机器人在水中稳定性下降。
实施例4：
本发明的清除水下船体附着物的机器人实际使用时：在水面采取遥控控制机器人在水下作业，控制面板2与水面遥控装置可实现在水下100米处进行人工指令完成清洗任务，通过控制推进器8将机器人移动到指定位置吸附装置5对船体指定位置通过吸盘501，并且吸附装置5可带动机器人在水下移动，水泵505从前端吸盘501吸水，与此同时吸水处吸盘501上端三通阀508内的电磁阀506关闭，水量由前端吸盘501底部吸进，即实现通过吸盘501将整个吸附装置5吸附在船体表面，吸附装置5固定机器人在船体上的位置，当机器人需要移动位置时，控制面板2控制水泵505的将水体注入一端吸盘501，另一端吸盘501保持吸附，三通阀508垂直向吸盘501输出水流，与此同时吸盘501上端三通阀508内部的电磁阀506打开，水体受到压力从三通阀508一端的喷头507喷出，但喷出的水流量不大吸盘501还存在吸力，喷流的时候吸盘501发生位移，支撑杆502也相应发生位置变化，当支撑杆502之间的夹角到达30°时，控制面板2控制PLC控制器503来控制电磁阀508调节管路水流方向，使两个吸盘的工作状态互换，移动的吸盘501将内部水体排出吸附在船体表面，之前保持吸附的吸盘501进行位移，如此往复，实现吸附装置5在船体表面位移，即带动机器人在船体表面位移，提高机器人在船体表面的稳定性和工作效率，在清扫器9到达清扫位置时毛刷909可对清扫位置上易清洗的附着物先清洗，再利用控制面板2控制齿轮泵906转动带动钢刷904旋转实现对船体表面附着物清洗，在附着物被清洗下来后由于齿轮泵906的转轴旋转的同时带动了吸流叶片907形成向内吸力即实现清洗下来的附着物受到吸力向内圆柱筒移动，使附着物被收集到收集腔901内，在清洗完成后控制面板2开启开合板可释放涂料使之流到毛刷909处，此时控制机器人在一定范围内移动，毛刷909将涂料涂覆至船体表面，实现在清洗附着物后对船体进行涂刷涂料，利用摄像头6、声纳探测仪802和探测灯7解决水下能见度低或操作不当引起视野盲区导致清理附着物不全面等工作问题；设置的太阳能接收板4为蓄电池3持续充电有效解决续航或者点亮不足的情况出现。
实施例5：
在现有的船体上的螺旋桨理论设计中，NACA a＝0.8为常用的负荷弦向分布形式，有些时候还会采用a＝0.8、b＝0.1(或0.05)屋顶形分布，两种负荷分布形式如图8所示，其中，横坐标S/C为无量纲弦长，导边为0、随边为1；纵坐标γ为剖面总环量为1时的附着涡面密度，并且利用SPROP软件来计算的常规桨叶的负荷弦向分布，如图9所示，从图9中可明确常规的桨叶大部分剖面拱度较大、螺距(攻角)较小，特别是在导边附近为负攻角，容易产生面空泡，本发明通过对常规桨叶的优化与改进，本发明的桨叶的剖面负荷弦向分布如图10所示，将图10与凸9对比后可发现本发明的桨叶801的表面压力分布趋于均匀分布，整个桨叶面的空泡裕度提高，背空泡裕度也有所提高，利于推迟整个桨叶背泡状空泡的发生实现桨叶801水动力性能的提高，水流或暗流对桨叶801的影响小。
本发明的常规连接或常规技术为本领域技术人员所熟知，例如螺旋桨与传动轴的连接属于现有公知技术，故在此不再做详细描述。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.清除水下船体附着物的机器人，包括机架(1)，其特征在于：所述机架(1)为长方体，侧面设置有推进器(8)，所述推进器(8)上设有桨叶(801)，所述桨叶(801)内部中空，中部设有隔板(801a)，隔板(801a)上下表面与桨叶(801)中空内壁之间连接有均布的支撑条(801b)，底面均布四个清扫器(9)，表面中部设有蓄电池(3)，所述蓄电池(3)表面连接有控制面板(2)，蓄电池(3)表面还通过伸缩杆连接有太阳能接收板(4)，所述机架(1)表面四周均设摄像头(6)和探测灯(7)，所述机架(1)一侧面还连接有吸附装置(5)；所述机架(1)各侧面中部通过连接杆(10)与推进器(8)连接，所述推进器(8)表面连接有声纳探测仪(802)；所述支撑条(801b)与隔板(801a)的夹角α为30°～60°，所述支撑条(801b)与桨叶(801)中空内壁连接处呈弯钩状；
所述清扫器(9)为圆柱形，内部设有一内圆柱筒，所述内圆柱筒上部为收集腔(901)，内圆柱筒中部设有收集板(905)，收集板(905)表面设有梯形孔，所述收集板(905)底面连接有齿轮泵(906)，所述齿轮泵(906)的转轴上设有吸流叶片(907)，转轴顶部连接有圆盘形的网板(903)，所述网板(903)底面均布有钢刷(904)，所述内圆柱筒与清扫器(9)壳体内壁形成涂料室(902)，所述涂料室(902)下部设有开合板，所述清扫器(9)底部外臂均设有毛刷(909)。
2.根据权利要求1所述的清除水下船体附着物的机器人，其特征在于：所述机架(1)内部设有存储腔(101)，所述收集腔(901)与存储腔(101)连接，连接处设有孔板(102)。
3.根据权利要求1所述的清除水下船体附着物的机器人，其特征在于：所述机架(1)侧面通过连接轴(509)与机架(1)侧面连接，所述连接轴(509)底部连接有两根可绕连接轴(509)转动的支撑杆(502)，所述支撑杆(502)上设有PLC控制器(503)，另一根支撑杆(502)上连接有水泵(505)，所述支撑杆(502)底部连接有三通阀(508)，所述三通阀(508)其中一支连接有吸盘(501)，一支连接水管(504)，所述水管(504)另一端与另一根支撑杆(502)上的三通阀(508)连接，一支连接喷头(507)，与喷头连接处设有电磁阀(506)，所述PLC控制器(503)分别与两个支撑杆(502)上的电磁阀(506)连接。
4.根据权利要求3所述的清除水下船体附着物的机器人，其特征在于：所述水泵(505)与水管(504)连接，所述吸盘(501)底部设有半球形密封腔(501a)，所述密封腔(501a)表面设有弧形撑板(501b)。
5.根据权利要求1所述的清除水下船体附着物的机器人，其特征在于：所述支撑条(801b)直径与桨叶(801)的壁厚比为0.4-0.6:1。
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