CN111070207B - 一种船用智能清理机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用智能清理机器人，该机器人包括车体机构，车体机构的前端设有机械手臂，机械手臂上设有清洁机构，车体机构的前部还设有照明装置，机械手臂上还设有摄影装置能够把船舶管道内表面上的污垢、水草、氧化物和其他附着物清除掉。具有生产成本低廉、清洗效率高、不损坏被清洗物、应用范围大、无污染或污染小、易于操作等特点。

Description

一种船用智能清理机器人

技术领域

本发明涉及船舶领域，尤其涉及一种船用智能清理机器人。

背景技术

船舶管件在船舶的液压系统中应用广泛，通常一个完整的液压管路系统都是由许多的船舶管件和接头等零部件连接装配而成，从而构成一个船舶管路系统。在现代先进新型船舶中，船舶管路及管件的数量更为密集。船舶的一系列动作控制的执行都离不开液压管路系统，船舶管路工作时的流通顺畅与否对船舶的航行安全和稳定都至关重要。船舶管路内部的污物引起的液压系统的堵塞往往导致管路系统性能的下降甚至失效，危及航行安全，同时也是船舶故障的主要诱因。根据资料显示，船舶机械故障大约有30％是由船舶液压管路系统的故障引起的，而船舶液压管路系统的故障大约70％是由管路流通不畅或堵塞问题引起的。因此，船舶液压管路系统的污染控制问题越来越受到人们的重视，并成为了船舶产业中亟待解决的问题。实践证明，合理的控制和解决管路堵塞污染问题是提高船舶安全性、液压控制系统稳定性和延长管件生命周期的。

综上所述，保证船舶管件具有高的清洁度等级非常关键。随着科学技术的快速发展和进步，船舶制造领域对船舶液压管路系统的清洁度等级提出了越来越高的要求。传统的船舶管件清洗方式已经不能满足当前高清洁度清洗要求，因此开展船舶管件高清洁度清洗设备的设计和研制非常有意义，实现了绿色环保、智能化清洗，对船舶装备制造业现代化也有着一定的促进作用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种船用智能清理机器人包括车体机构，车体机构的前端设有机械手臂，机械手臂上设有清洁机构，清洁机构在车体机构行进的过程中由直流马达的旋转运转将附在船只管道内侧的杂物清除，机械手臂上搭载若干个伺服马达，用以控制机械手臂上下旋转，车体机构的前部还设有照明装置，机械手臂上还设有摄影装置，摄影装置撷取影像有线传输至监控端显示影像于PC接口，由影像得知船只管道内实际情形，判断是否需要清洁。

进一步地，车体机构由铝合金板制成，并且车体机构还具有车轮，车体机构的内部设有单芯片控制板、马达驱动装置。

进一步地，机器人包括还包括运动控制平台，运动控制平台上设有核心控制器、控制柄和控制按钮，控制柄控制车体机构前后左右运动，控制按钮控制各个马达的旋转。

进一步地，机器人在工作时，首先由核心控制器传输信号至单芯片控制板从而使得马达驱动装置带动车轮，使车体机构到达目标位置，接着控制机械手臂的伺服马达将清洁机构的毛刷微调至适当位置，再转动直流马达进行清洁动作。

进一步地，清洁机构包括基座，刷毛设置在基座上，基座采用轻质塑料，刷毛为尼龙材料制成。

进一步地，机器人还包括资料处理系统，资料处理系统包括传输模组、分析模组；各个马达角度与速度值的资料经由传输模组传输，并传送到核心控制器上，核心控制器根据所传来的资料，进行封包的解读；分析模组可以获得核心控制器传来的资料，并将这些资料进行译码，并且分析是对机器人下达执行动作的指令封包。

进一步地，机器人还包括陀螺仪与加速度计，陀螺仪计用于测定倾斜角度，与加速度计用于测量行走距离及行走速度。

进一步地，机器人在进行杂物和管内本体影像辨识过程中，将RGB转YCbCr色彩空间，使用影像相减后的临界值计算方式，计算两张影像之间的差异度，通过定义的特定值将彩色影像转换成只有黑与白的二值化影像，当影像相减之后的值大于特定值时，将其判断为所需清除的杂物目标对象，否则将其认定为管内本体。需要说明的是，本申请的清洁机构需要将撷取的影像作空间类型转换，需要说明的是，对于本申请的空间类型转换，色彩空间R、G、B(红、蓝、绿)，将三个参数取其范围设定，可发现RGB色彩空间很容易受到光源影响而有明显的变化，而使在设定颜色的分隔值，产生较大的误差。因此将色彩空间转换为Y、Cb、Cr(亮度、蓝色色度、红色色度)可将亮度和色度分离的特性，可得知较准确的对象信息点。利用影像相减法将Y色彩空间减去Cb色彩空间或Cr色彩空间，最后再将超过临界值的区块定义并执行影像二值化，即可将障碍物或污染区块以二值化方式呈现。因此，本申请的空间类型转换满足如下公式：Output[x，y]＝图形数据*Input[x，y]+位移数据，其中，所述的图形数据为矩阵乘以倍数。

进一步地，当机器人到达船体内弯管时，当asinθ+bcosθ-lsinθcosθ＞w时，机器人可通过弯道，反之则无法通过；其中，a为纵向上的管道宽度，b为横向上的管道宽度，l为机器人的长度，w为机器人的宽度。

进一步地，，一种船用智能清理机器人的信号传输方式为有线传输。

实施本发明，具有如下有益效果：机器人包括车体机构，车体机构的前端设有机械手臂，机械手臂上设有清洁机构，车体机构的前部还设有照明装置，机械手臂上还设有摄影装置能够把船舶管道内表面上的污垢、水草、氧化物和其他附着物清除掉。具有生产成本低廉、清洗效率高、不损坏被清洗物、应用范围大、无污染或污染小、易于操作等特点。

附图说明

图1为本发明清洁机构示意图。

图2为本发明过弯原理示意图。

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的为克服清洁船只管道时的困难与降低成本，因此发展船只管道探索与清洁机构来完成此任务。它能依远程手控方式沿着船只管道管线路径运动，进入船只管道内部检查及执行清洁工作，适应船只管道的各种尺寸，能防潮、防尘，具影像与各种信息传输及影像辨识功能，并设计接口系统使操作者方便使用。有了机器人，要清洁时就可以将其放进船只管道内行走，机器人的车身装配着机械手臂，可随船只管道尺寸而上下调整清洁范围，并搭载清洁工具，如清洁毛刷，同时具备影像辨识机制及信号传输系统，可将内部信息实时传送给操作者，做进一步的决策参考与指令下达，也可由影像传输得知内部清洁情形，确认清洁效果。

硬件部分

清洁设备机构：

清洁设备机构的设计必须考虑体积小且以模块化设计为主要考量原则，使之能方便拆卸，容易更换清洁设备或模块。将清洁机构与车组装，进而达到由车体带动，进行清洁动作的目的。清洁设备是假设在能够进行清扫杂物，并将杂物清出船只管道等基本清洁动作，因此清洁系统设计在于将毛刷置放于清洁机构车体前端，在行进的过程中由直流马达的旋转带动毛刷的运转将附在船只管道内侧上的杂物清扫起来，基座材料采用较轻的塑料材料，刷毛为尼龙材料所制成，毛刷直径约为300mm。其优点为可输出较大功率，直流马达转速不受电源频率限制，转速控制只要控制电压大小即可。最后结合照明和摄影机构，检测船只管道内部影像的真实性与完整性以及验证清洁成果。

机械手臂：

为适应不同尺寸的船只管道，因此加装机械手臂用以调整清扫的范围。清洁机构的机械手臂为避免重量过重，由有机玻璃板所制成，在底座钻螺丝孔，使机械手臂可拆卸，依清洁内容的需求而替换适合尺寸之毛刷。机械手臂上搭载三颗伺服马达，用以控制机械手臂能上下旋转，以配合船只管道尺寸大小调整角度，进行清洁动作。

车体机构设计：

清洁机构在船只管道中，须达到快速探索与清洁船只管道的目的，更必须保持船只管道完整且不会造成船只管道任何损坏，引此在车体的设计中，我们分别针对车体的(1)结构材料、(2)轮式橡胶车轮，来做设计考量。

(1)结构材料：

在车体机构的设计上，清洁机构在船只管道清洁的过程中，除了要达到清洁船只管道的主要目的，必须保持船只管道完整，对船只管道不造成任何损坏，所以在清洁机构车体机构的设计上，本发明尽量让车体越小与重量越轻为原则，因此利用铝合金板作为适合于清洁机构结构的材料。以有线方式供应清洁机构电源以减轻车体荷重，将单芯片控制板、马达等驱动装置于车体内部。

(2)轮式橡胶车轮：

采用轮式橡胶车轮，主要是考虑其较佳的越野能力，可在崎岖或磨擦力大的地面上行走，不会造成打滑或轮胎无法越过障碍物等问题，能解决实际船只管道内部可能遭遇的复杂地形，且采用轮型车轮机动性较高，方便清洁机构在船只管道内部快速顺利移动。主要用以搭载摄影照明系统及清洁设备系统，并于车体内放置各系统的控制器及设计电路，若车体过小会导致功能减弱，车身防水，行驶速度最大可达每秒30厘米，车体重量为6公斤，可承受最大重量约25公斤。

照明摄影机构：

因通船只管道内部的光线较暗，需搭配两颗LED灯置于清洁机构车体前方，提供足够亮度的照明，并使摄影镜头配合含伺服马达旋转的支架安装于车体前，以方便检测不同大小船只管道内的环境，伺服马达由控制板高低信号的控制，转换成马达的旋转位置。并加装LED灯提供照明，因需拍摄实际船只管道内的脏污情形，提供使用者作判断是否需清洁的依据，以便能在清洁过程中，能检测船只管道内的实际场景以及验证清洁的成果。

清洁机构软件部分

传输方式：

信号传输方式可分为有线传输与无线传输，本发明所完成的船只管道探索与清洁机构为有线传输，电源及信号经由50厘米长的缆线传输，进行远程监控及操作清洁机构运动。若采用无线传输会有许多难以解决的缺点，如无线网路并非任何地方都有，若无信号接收或信号接收不良，将无法进行远程监控。通船只管道线为密闭空间且大多为金属材质所制成，因此信号易受噪声干扰导致传输不易，且无线清洁机构须采更换电池方式维持清洁机构移动及清洁设备的电力供给，无法长时间在船只管道内运作，导致无法很有效率完成工作。再者若无线清洁机构因马达烧坏或未知因素造成清洁机构在船只管道内故障，需以人工拆除船只管道方式才可将清洁机构从其中取出，反而会消耗更多人力及时间。因此本发明采用有线方式研发船只管道探索及清洁机构，则信号比无线传输来的稳定许多，且耗电量也不受电池的蓄电力影响。

视觉影像处理：

摄影机撷取影像有线传输至监控端显示影像于PC接口，由影像得知管内实际情形，判断是否需要清洁。

如果不需要清洁时，可将影像记录存盘，供日后参考。如果需要清洁时，将清洁机构退出船只管道，选择换装适合清洁模块再进行清洁，控制车体运动，让使用者即可从监控端计算机，实时监控清洁机构的清洁动作。

运动控制平台

机器人包括还包括运动控制平台，运动控制平台上设有核心控制器、控制柄和控制按钮，控制柄控制车体机构前后左右运动，控制按钮控制各个马达的旋转。并可通过缆线传输控制信号至车体内的控制板负责运动控制，并撰写运动控制程序，使清洁机构可以顺利移动至目标位置进行清洁动作。

驱动清洁系统

摄影机撷取影像传至远程用户计算机显示器，由控制盒的核心控制器传输信号至车体内控制板驱动马达带动轮胎，使清洁机构到达目标位置，接着控制机械手臂的伺服马达将清洁毛刷微调至适当位置，再转动直流马达进行清洁动作。

船只管道清洁机构的硬件规划与电路设计

使用小型越野橡胶轮胎(直径约为10cm)，方便迅速操作及简单越野性能，车体为铝合金材质，以有线方式供应清洁机构电源及信号传输以减轻车体荷重。运动驱动器组件的选用以重载车专用直流马达结合控制器为设计依据，清洁毛刷模块则选用直流马达，直流马达所占用的体积较小并有较大扭力可带动毛刷，操作控制使用趋近人性化。

本发明于马达驱动电路的设计上，以24伏特电压来驱动直流马达，并采用PWM控制信号控制马达转速，其中PWM即就是借着改变输出脉波宽度或频率来改变马达的转速，为的是减少流经马达绕线电流及降低功率消耗。将供应马达的电压在一个固定周期分成ON及OFF两种状态，在周期中将ON及OFF两种状态做比例的控制，使供给直流马达的平均电压改变，当电压改变时马达的转速也会随之改变，达成控制马达的功能，则ON的时间越长，马达的转速越快，反之越慢。而PWM控制信号输出有以下优点：

(1)从处理器到被控系统信号都是数位形式的，无需进行数位类比转换。

(2)可产生使用程序化的驱动波形信号输出，因此控制简单。

(3)随时可因应不同环境变化而改变其设定参数。

(4)马达低速时电流脉动和转速脉动都很小，稳速精度高。

(5)工作在开关状态，其功率损耗小，电源利用率高。

探测内部环境时，需装设摄影机并利用伺服马达的控制调整角度拍摄影像，将所拍摄到的影像立即传回控制端，由所接收到的资料作为下一步动作判断的依据。

控制芯片与机器视觉的控制器设计

将由控制芯片与资料传输模块传送资料到控制计算机中，将所有的信息整合在计算机接口上，并确实将所有内部环境情况呈现出来，再通过所撰写的程序来控制运动命令，利用资料传输模块将其命令传送到控制芯片，再由控制芯片中所撰写的程序来控制清洁机构运动，使船只管道探索与清洁机构在未知的船只管道环境中，可以平顺的移动，达到检测跟清洁的目的。

然而在清洁机构的基本影像接口上，使用架设在清洁机构前方的摄影机所提供的影像撷取程序。

机器人还包括资料处理系统，资料处理系统包括传输模组、分析模组；各个马达角度与速度值的资料经由传输模组传输，并传送到核心控制器上，核心控制器根据所传来的资料，进行封包的解读；分析模组可以获得核心控制器传来的资料，并将这些资料进行译码，并且分析是对机器人下达执行动作的指令封包。

本发明使用RS-232模块作为清洁机构与用户之间的传输模组，由于RS-232与核心控制器之间资料的传输是以设定脚位连接来执行资料相互传输的功能。所以分别利用控制板上的PIO规划脚位作为传输资料的脚位，利用I/O中断的方式与RS-232做连接，进行双方资料的相互传输。

资料分析模组主要是接收RS-232传输模组所传来的封包资料，而从RS-232传输模组接收到的资料为指令封包。资料分析模块可以获得核心控制器传来的资料，并将这些资料进行译码的动作，并且分析是对清洁机构下达执行动作的指令封包。

清洁机构移动是使用直流马达，直流马达传送8bits，前2bits为判断马达正转或反转，”00”为正转、”01”为反转。后6bits则是判断马达的速度。

本发明使用陀螺仪与加速度计作为测定倾斜角度、行走距离及行走速度的传感器。利用陀螺仪与加速度计可感知倾斜面角度的变化并据此输出不同的电压值，电压值与角度呈现比例关系，因此通过电压值的大小可反推倾斜的角度。利用陀螺仪与加速度计可量测轮胎旋转的圈数而推算出清洁机构的行走距离与速度。将量测到之资料敷值传输并显示于GUI接口上。

将清洁机构与车体组装，进而达到由车体带动进行清洁的目的。整合完成后再进行各项检测实验，检查结构是否稳定，清洁过程对车体的冲击是否会有影响。

清洁机构模拟转弯通过性分析

本发明确定清洁机构的弯道通过性是十分重要的，因为船只管道清洁机构在弯道行走时，若管道环境和清洁机构尺寸不兼容，可能会造成卡住现象。因此清洁机构要能安全通过弯道，必须充分考虑弯道的通过性。

图2为船只管道清洁机构在水平直角弯管中行进的示意图。设管道宽度一端为a，另一端为b，清洁机构长为1，宽为w，如图所示正通过矩形船只管道直角弯道。以图中o点为原点，建立坐标系，设清洁机构的一边沿着船只管道外侧运动，即B点始终在x轴上，C点始终在y轴上，即可保证可最大限度利用船只管道空间。

在BC连线从x轴运动到y轴的过程中，A点到BC线段最短距离就是此弯道所能允许的最大清洁机构通过宽度，由此可判定船只管道清洁机构的宽度能否通过此弯道。

由图2，可得BC两点的直线方程式如下：

则A点(a，b)到该直线的距離d为：

那么，其中当a sinθ+b cosθ-l sinθcosθ＞w时，故清洁机构可通过此直角弯道。反之则无法通过。

以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种船用智能清理机器人，该机器人包括车体机构，其特征在于，所述的车体机构的前端设有机械手臂，机械手臂上设有清洁机构，清洁机构在车体机构行进的过程中由直流马达的旋转运转将附在船只管道内侧的杂物清除，机械手臂上搭载若干个伺服马达，用以控制机械手臂上下旋转，车体机构的前部还设有照明装置，机械手臂上还设有摄影装置，摄影装置撷取影像有线传输至监控端显示影像于PC接口，由影像得知船只管道内实际情形，判断是否需要清洁；

该机器人还包括资料处理系统，资料处理系统包括传输模组、分析模组；各个马达角度与速度值的资料经由传输模组传输，并传送到核心控制器上，核心控制器根据所传来的资料，进行封包的解读；分析模组可以获得核心控制器传来的资料，并将这些资料进行译码，并且分析是对机器人下达执行动作的指令封包；

机器人在进行杂物和管内本体影像辨识过程中，将红R、蓝G、绿B色彩空间转换为亮度Y、蓝色色度Cb、红色色度Cr色彩空间；用影像相减后的临界值计算方式，计算两张影像之间的差异度，通过定义的特定值将彩色影像转换成只有黑与白的二值化影像，当影像相减之后的值大于特定值时，将其判断为所需清除的杂物目标对象，否则将其认定为管内本体；影像相减后的临界值计算方式具体为：利用影像相减法将Y色彩空间减去Cb色彩空间或Cr色彩空间，最后再将超过临界值的区块定义并执行影像二值化，将障碍物或污染区块以二值化方式呈现；该机器人到达船体内弯管时，当asinθ+bcosθ-lsinθcosθ＞w时，机器人可通过弯道，反之则无法通过；其中，a为纵向上的管道宽度，b为横向上的管道宽度，l为机器人的长度，w为机器人的宽度，θ为船只清洁机构与横向上的管道之间的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种船用智能清理机器人，其特征在于，车体机构由铝合金板制成，并且车体机构还具有车轮，车体机构的内部设有单芯片控制板、马达驱动装置。

3.根据权利要求1所述的一种船用智能清理机器人，其特征在于，该机器人还包括运动控制平台，运动控制平台上设有核心控制器、控制柄和控制按钮，控制柄控制车体机构前后左右运动，控制按钮控制各个马达的旋转。

4.根据权利要求1所述的一种船用智能清理机器人，其特征在于，该机器人在工作时，首先由核心控制器传输信号至单芯片控制板从而使得马达驱动装置带动车轮，使车体机构到达目标位置，接着控制机械手臂的伺服马达将清洁机构的毛刷微调至适当位置，再转动直流马达进行清洁动作。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种船用智能清理机器人，其特征在于，该机器人包括基座，刷毛设置在基座上，基座采用轻质塑料，刷毛为尼龙材料制成。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的一种船用智能清理机器人，其特征在于，该机器人还包括陀螺仪与加速度计，陀螺仪计用于测定倾斜角度，与加速度计用于测量行走距离及行走速度。

7.根据权利要求6所述的一种船用智能清理机器人，其特征在于，该机器人的信号传输方式为有线传输。

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