CN111530869B - 一种用于水下的清洗装置及水下机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水下的清洗装置及水下机器人系统，包括：清洗装置内腔，所述清洗装置内腔一端通过第一旋转接头与外部高压胶管连接，通过外部高压胶管提供高压水注入；清洗装置内腔另一端通过第二旋转接头与空化喷射杆连接；所述第一旋转接头和第二旋转接头的旋转互不干涉；所述第一旋转接头外同轴设置第一固定管，所述第二旋转接头外同轴设置第二固定管；所述第一固定管和第二固定管之间固定连接清洗盘，所述清洗盘的开口朝向空化喷射杆一侧，所述空化喷射杆位于清洗盘开口内。本发明清洗装置可以由水下机器人装夹操作进行水下自动清洗作业，极大减轻了人工劳动强度，可安全、高效的清除附着海生物和污垢。

Description

一种用于水下的清洗装置及水下机器人系统

技术领域

本发明涉及水下清洗装置技术领域，尤其涉及一种用于水下的清洗装置及水下机器人系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

长期在海水中的船舶、平台和管道等，一般都会受到藻类、藤壶、软体动物等侵蚀和污染。一般情况下，因海洋微生物的附着，船舶要消耗更多的燃料，增加了运输成本。同时，附着在船壳、阀门及螺旋桨上的污垢会大大降低其工作效率。海洋生物附着还会侵蚀设备表面的防护层，加速设备腐蚀的速度。海洋附着物增大了结构负重，降低了设施稳定性，可能导致设备丧失运行能力。

水产养殖网箱是水产养殖业大量使用的一种养殖器具，具有经济、方便的优点。网箱长期浸泡在海水中，会有很多海生物藻类、贝类等附着于网箱上，易造成网目的堵塞，让鱼的大量粪便，残饵无法排出，阻碍网箱水体交换，造成养殖鱼类质量降低。另外，网箱网衣附着物的加剧也会增加网箱的整体重量，使网箱的阻力增加，严重影响到网箱的安全性和使用寿命。

发明人发现，目前水下清洗方式往往使用人工潜水持拿一些清洗装置，劳动强度大，危险性高、清洗装置密封性差，故障率高，易损伤原有涂层或材质，难以清洗多种目标，例如船舶底部表面、养殖网箱网衣等。高压清洗装置内压较大，往往采用钢制零件，在水中具有一定的自重，会影响装置在水中的浮力性能，不利于装置的正常有效工作。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种用于水下的清洗装置及水下机器人系统，能自动或通过遥控操作，达到对船舶和网箱等多种目标的高效和安全的清洗。该清洗装置将空化作用引入水射流清洗技术，使水射流束中产生高密度空化泡，利用大量的空化泡在物体表面局部微小区域溃灭产生的强大微射流冲击力而达到清洗坚硬污垢和附着海生物的目的，可快速有效地清洗。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种用于水下的清洗装置，包括：清洗装置内腔，所述清洗装置内腔一端通过第一旋转接头与外部高压胶管连通；清洗装置内腔另一端通过第二旋转接头与空化喷射杆连通；所述第一旋转接头和第二旋转接头的旋转互不干涉；所述第一旋转接头和第二旋转接头之间同轴连接清洗盘，所述空化喷射杆位于清洗盘开口内。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种水下清洗机器人系统，包括：上述的用于水下的清洗装置，所述清洗装置中第一固定管外侧固定有装载夹具，所述装载夹具与水下机器人机械臂末端的执行器连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明清洗盘和椭圆调节器均采用轻质浮力材料整体制作，可以长时间水下使用，耐酸、碱、腐蚀，可抵消其他钢、铜零件水中的自重，实现水下零浮力，便于水下机器人装载操作使用。

(2)清洗装置的每一零件结合部分都设有螺纹胶、生料带、密封圈等密封，特别是清洗装置中的旋转接头的转动部分至少含有两套格莱圈密封，即使其中1套失效，仍可以实现正常的清洗作业，具有较好的水下高压密封效果。

(3)清洗装置设有两套独立的旋转接头，结构紧凑，第一套高压水接入端的自适应旋转接头可以防止较长高压胶管的弯曲和缠绕影响，第二套旋转接头较短，自重轻，可使空化喷射杆灵活旋转喷射，并且旋转接头相互之间不影响各自的旋转运动。

(4)清洗装置的清洗盘设有椭圆调节器，可选择合适的通孔调节过水量，使盘内产生负压变化调节，可实现对多种目标的清洗。

(5)在第一、二旋转接头的固定不动部分，设有至少1套反冲水管的安装位置，每一套反冲水管至少设有1个喷射口，可有效消除清洗装置工作时产生的反冲力。

(6)空化喷射杆具有2个相同的空化喷头，也可以根据实际需要设置3个或更多的空化喷头，空化喷头的喷射角度均可以人工调整，便于清洗作业的调整。

(7)清洗装置设有一个装载夹具和相应的夹持区，便于水下机器人机械臂灵活操作使用，提高了清洗装置作业的灵活性，并减轻人类劳动强度和危险性。

(8)清洗装置采用水下机器人装夹操作，极大减轻了人工劳动强度，可安全、高效的清除附着海生物和污垢。

附图说明

图1为实施例一中清洗装置结构示意图；

图2为实施例一中清洗装置左视图；

图3为实施例一中反冲水管结构示意图；

图4为实施例一中椭圆调节器结构示意图；

图5为实施例一中装载夹具结构示意图；

其中，1第一密封盖；2第一格莱圈；3固定接头管；4第一螺纹孔；5装载夹具；6清洗装置内腔；7清洗盘；8第二螺纹孔；9固定中心管；10第二端面轴承；11第二密封盖；12第一密封圈；13钢管中心线；14精密钢管；15三通阀；16第二旋转接头；17第二格莱圈；18滚动轴承；19第三格莱圈；20第二密封圈；21管螺母；22管螺纹；23第三密封圈；24第一端面轴承；25滑动轴承；26第一旋转接头；27空化喷头；28第一旋转角度；29第二旋转角；30清洗盘圆孔；31椭圆调节器；32直射喷口；33第一侧射喷口；34第二侧射喷口；35内腔；36锥螺纹孔，37大孔；38固定安装孔；39中孔；40小孔，41螺栓；42上弧孔；43螺母；44上夹具；45下夹具；46下夹具面；47下弧孔；48上夹具面；49.空腔Ⅰ；50密封螺纹接口Ⅰ；51空腔Ⅱ；52密封螺纹接口Ⅱ。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种用于水下的清洗装置，参照图1，包括：清洗装置内腔6，清洗装置内腔6的一端通过第一旋转接头26与外部高压胶管连接，通过外部高压胶管提供高压水注入，通过第一旋转接头26自适应旋转来防止高压胶管弯曲和扭曲对清洗装置的影响。

清洗装置内腔6另一端通过第二旋转接头16与空化喷射杆连接；第一旋转接头26和第二旋转接头16的旋转互不干涉；第一旋转接头26外同轴设置第一固定管，第二旋转接头16外同轴设置第二固定管；第一固定管和第二固定管之间固定连接清洗盘7，清洗盘7的开口朝向空化喷射杆一侧，空化喷射杆位于清洗盘7开口内。

第一旋转接头26的内腔35表面螺纹和高压胶管接头螺纹旋合并密封，来自高压泵流出的高压水从第一旋转接头26内腔35流入，沿着整个清洗装置的圆形长内腔35，清洗装置内腔6从图1左侧箭头所指方向，依次流经固定接头管3、固定中心管9到达三通阀15接头，然后通过三通阀15接头分别流经两侧精密钢管14的内腔35，最后从空化喷头27高速射出，引起水下空化，从而达到清洗目标。

第一旋转接头26和外部高压胶管管接头通过管螺纹22旋合在一起，第一旋转接头26外圆柱表面安装有滑动轴承25，减少第一旋转接头26和固定接头管3的转动磨损。固定接头管3的内部表面设有2个环形凹槽，安装有2个第一格莱圈2，目的是水下高压密封，阻止管道内部的高压水流出，同时也防止外部的海水等进入管道内部。

固定接头管3与第一旋转接头26之间设置格莱圈的数量是可以根据需要进行调整的，本实施例中，设置两套密封圈的目的是为了保证更好的水下高压密封效果，即使其中1套失效，装置仍可以实现正常的清洗作业。

第一旋转接头和第一固定管之间通过滑动轴承连接，第一旋转接头和第一固定管相接触的端面位置设置端面轴承。第二旋转接头和第二固定管之间通过滚动轴承连接，第二旋转接头和第二固定管相接触的端面位置设置端面轴承或者角接触球轴承。

具体地，固定接头管3和第一旋转接头26之间设有第一端面轴承24，减少第一旋转接头26旋转时对固定接头管3端面的摩擦和磨损，第一密封盖1和固定接头管3固结在一起，阻止第一旋转接头26从内部脱离出来。固定接头管3和固定中心管9通过管螺纹22旋合连接在一起，并通过第三密封圈23实现密封，属于清洗装置中的固定不动部分。

第一旋转接头26可以在固定接头管3左侧内部自适应低速旋转，从而避免长高压胶管的弯曲和缠绕等现象发生，减少高压胶管造成的水下机器人拖拽和姿态改变。固定接头管3处的第一螺纹孔4主要作用是通过对丝接头安装反冲水管，其反冲水管内腔35直径和螺纹孔下方孔径相等，主要作用是调节清洗时产生的反冲力等。

第二旋转接头16与固定中心管9之间设有滚动轴承18，第二旋转接头16的外圆柱面与轴承内孔配合，轴承外圆与固定中心管9配合，可以高速旋转。在第二旋转接头16和第二密封盖11之间设有第二端面轴承10，减少第二旋转接头16对固定中心管9端面的磨损，第二密封盖11与固定中心管9右侧端面固接在一起，使其成为固定不动的部分，防止第二旋转接头16从内部脱离出来。为紧凑化设计，滚动轴承18和端面轴承还可以由一个角接触球轴承代替，位于端面轴承处，同时承受径向力和轴向力。

第一固定管和第二固定管通过管螺纹旋合连接在一起，并通过密封圈密封。

第一固定管上设有与清洗装置内腔连通的第一螺纹孔，第一螺纹孔用于连接反冲水管。

第二固定管上设有与清洗装置内腔连通的第二螺纹孔，第二螺纹孔用于连接反冲水管；第二螺纹孔连接反冲水管时，反冲水管的喷射口和清洗盘上圆孔的中心线高度相等。

具体地，固定中心管9的内表面设有2个凹槽，安装有2个不同直径的第二格莱圈17和第三格莱圈19，第二旋转接头16的右侧端面设有一个第二密封20。使用第二格莱圈17、第三格莱圈19和第一密封圈12的目的是水下高压密封，阻止管道内部的高压水溢出，同时也防止外部的海水等进入管道内部，即使系统只要存在1路有效密封，整个清洗装置可以正常工作。

固定中心管9处的第二螺纹孔8主要作用是通过对丝接头安装反冲水管，其反冲水管内腔35直径和螺纹孔下方孔径相等，反冲水管的喷射口和清洗盘圆孔30的中心线高度相等，通过清洗盘圆孔30向后喷射，主要作用是调节消除清洗时产生的水平反冲力等。

反冲水管包括位于水管顶端的直射喷口和位于水管侧面的侧射喷口；反冲水管内腔与清洗装置内腔连通。

具体地，反冲水管结构如图3所示，反冲水管的锥螺纹孔36主要用来连接对丝接头的一端，另一端主要通过对丝接头安装在清洗装置的第一固定螺纹孔或第二固定螺纹孔处，主要作用用来调整空化喷头27射流时对清洗装置的反冲力。当不使用反冲水管时，可以用堵头堵住这些螺纹孔，并采用螺纹胶、生料带等密封。反冲水管内部设有圆形的长内腔35，与直射喷口32、第一侧射喷口33、第二侧射喷口34均相通；这些喷口可单独使用，也可以同时使用。

当使用其中某一个喷口时，其余喷口可以使用堵头塞住。当清洗装置工作时，直射喷口32用来调节上下方向的反冲力，侧射喷口用来调节左右方向的反冲力，当开启一个侧射喷口时，调节力度不够时，可同时开启两个侧射喷口。当使用一个反冲水管，调节力不够时，可以在第一螺纹孔4和第二螺纹孔8处同时安装反冲水管，进行并行双反冲水管方式的调节，因此不依靠螺旋桨就可以保持清洗装置的姿态，进一步优化了水下机器人清洗作业。

清洗盘上设有至少两个圆孔，所述圆孔外侧安装椭圆调节器，所述椭圆调节器上设有不同孔径的圆孔；通过调节椭圆调节器上圆孔与清洗盘上圆孔的对应关系，调节通过清洗盘上圆孔的清洗盘上圆孔过水量，从而调节清洗盘内部和外部的压力差。

具体地，清洗盘7套在第一旋转接头26和第二旋转接头16的固定不动的部分。清洗盘7空套在固定中心管9伸出端轴上，通过管螺母21夹紧固定，清洗盘7上设有圆孔，清洗盘7上圆孔的数量可以根据需要进行调整；本实施例中，清洗盘7上设有2个圆孔，每个圆孔外侧分别安装有椭圆调节器31，可以调节设置通过孔的单位时间过水量，从而确定是否需要产生负压及大小。

当在第二螺纹孔8处安装反冲水管时，反冲水管的喷射口要和圆孔的中心线重合，有利于反冲力的消除；当不使用此反冲水管时，要用堵头塞住第二螺纹口。清洗盘7采用密度小于水的轻质浮力材质整体制作，从左侧壁厚逐渐增加，可以产生较大的浮力，可以部分或完全抵消清洗装置中各种钢、铜材质的零件产生的水中自重，使整个清洗装置在水中完全零浮力，方便水下机器人装夹操作使用。

作为一种可选的实施方式，清洗盘7内部设有至少一个封闭的空腔，所述空腔设有由于连接密封管接头或密封堵头的密封螺纹接口。

本实施例中，清洗盘内部对称设有有空腔Ⅰ49和空腔Ⅱ51，清洗盘空腔Ⅰ和空腔Ⅱ分别设有密封螺纹接口Ⅰ50和密封螺纹接口Ⅱ52，可以接密封管接头或密封堵头。

浸在流体里的物体会受到液体或气体竖直向上托起的作用力，这种力叫作浮力。内部空腔可以充满空气或其他气体，也可以充水或其他液体。

浮力的定义式为F_浮＝G_排(即物体浮力等于物体下沉时排开液体的重力)，

计算：F_浮＝ρ_液gV_排，其中，ρ_液为液体密度，g表示常数，是重力与质量的比值，V_排为排开液体的体积。因此清洗装置系统所能提供的最大浮力是可以计算的，其在空气中的重量也是可以计算的。

通过控制两个空腔中的进水量可以控制所受浮力的大小，从而使水下清洗盘系统的所受的重力和浮力相等，这样就可以不改变水下机器人的原有的重心和浮心，便于水下机器人的作业控制。

当清洗盘体空腔Ⅰ和空腔Ⅱ除了可通过人工在陆地上冲液放液外，还可以实现自动化控制充液或充气，例如可以接液压泵系统实现自动充液或抽出液体，从而引起清洗装置的浮力和重力变化，根据需要的重力、浮力计算公式，通过管道流量触感器可以自动计算所需量的大小，确保最终重力和浮力相等。

设有多个空腔的水下清洗装置可以实现在淡水、海水或其他不同密度液体中实现自动清洗专业，实现在多种液体中的零浮力，不影响水下机器人原有的重心和浮心，从而有利于水下机器人的自动控制作业。

当清洗盘系统配合水下机器人一起整体设计时，还可以应用清洗盘的空腔为水下机器人提供浮力，减少水下机器人浮力模块体积，有利于水下机器人系统整体优化。

图4给出了清洗盘7上安装的椭圆调节器31结构示意图，椭圆调节器31的主要作用是调节通过此清洗盘圆孔30的过水量，从而调节清洗盘7内部和外部的压力。

椭圆调节器31上设有3个不同的通孔，分别是大孔37、中孔39、小孔40，同时设有2个螺孔，目的将椭圆调节器31通过固定安装孔38固定在清洗盘7体上。根据实际清洗环境需要，可选择调节孔的大小并对应清洗盘7上的圆孔，使清洗盘圆孔30和选择的调节孔的中心线重合，并通过螺栓41固定，从而实现圆孔单位时间过水量的调节。当清洗船舶底部时，可以选择小孔40调节，产生一定的负压，使清洗盘7贴住清洗面。当清洗网箱网衣时，可以选择大孔37调节，减小负压。两个椭圆调节器31均采用和清洗盘7同样的轻质浮力材料制作，可耐一般的酸碱，可进一步减小钢件的水中自重，使整个清洗装置在水下零浮力。

空化喷射杆的主要作用是实现网箱、船底部附着物等目标的快速清洗，根据实际需要，也可以选择在清洗盘7外壳处挂载行走轮和滤网等。三通阀15通过管螺纹22实现与第二旋转接头16的固定连接密封，二者在固定中心管9内可共同旋转。

为实现进一步的水下密封，三通阀15端部设置有第一密封圈12，阻止内外部水的进入。三通阀15的另外两端分别固连一段无缝精密钢管14，精密钢管14的末端分别固连着空化喷头27，高压水从空化喷头27射出，由于存在水下空化射流的条件、内外水压差的存在，创造出水下空化射流，从而达到目标的清洗作业。

空化喷头27的数量可以根据需要自行调整，本实施例中，设置两个空化喷头27，两个空化喷头27可以根据清洗实际需要绕着无缝钢管中心线13对称旋转一定适合角度，一般情况下，空化喷头27和钢管轴线的第一旋转角度28和第二旋转角29度均为90°，同时还可以实际需要设置大于或小于90°夹角，这些夹角角度的调整主要是实现更优化的喷射方式，产生更优化的水下空化现象，从而实现对目标物体最好的清洗效果，见图2所示。

参照图2，三通阀15、两侧无缝钢管、空化喷头27构成空化喷射杆，通过螺纹与第二旋转接头16旋合作为一个旋转体，可以沿固定中心管9轴线高速旋转，空化喷射杆完全处于清洗盘7内部。当位于钢管两侧的空化喷头27高速喷射水流时，两侧喷头均受到射流的反向作用力，即反冲力，形成一个绕第二旋转接头16中心轴线的偏转扭矩，从而使空化喷射杆快速旋转喷射，形成涡空化区。当空化喷头27停止喷射时，空化喷射杆逐渐停止。从清洗盘7的左边开始，清洗盘7的壁厚逐渐增加，最外侧的圆柱面上下边线均平行于其中心轴线，如图1所示。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上，公开了一种水下清洗机器人系统，其包括了实施例一中所述的用于水下的清洗装置，其中，在固定接头管3上连接装载夹具5，通过装载夹具5可以连接水下机器人机械臂末端的执行器；装载夹具5结构如图5所示，包括：

下夹具45和上夹具44上的两个半圆形上弧孔42和下弧孔47通过螺栓41和螺母43的配合将固定接头管3的外圆柱面夹紧固定，从而夹紧固定住整个清洗装置。上夹具面48和下夹具面46之间的距离可以根据固定接头管3的直径进行调整；装载夹具5可安装在水下机械臂末端，因此机械臂的运动可以操作整个清洗装置实现目标物体的清洗，当自由度足够多时(≥6)，将实现可行空间姿态的任意调整。水下机械臂固定在水下机器人本体上，由多个螺旋桨运动可实现水下机器人前进、后退、旋转和上下等宏观运动，而机械臂则可以操作装载夹具5实现清洗装置的细微运动，从而实现多种目标物体的细微清洗。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种用于水下的清洗装置，其特征在于，包括：清洗装置内腔，所述清洗装置内腔一端通过第一旋转接头与外部高压胶管连通；清洗装置内腔另一端通过第二旋转接头与空化喷射杆连通；所述第一旋转接头和第二旋转接头的旋转互不干涉；所述第一旋转接头和第二旋转接头之间同轴连接清洗盘，所述空化喷射杆位于清洗盘开口内；

所述第二旋转接头外同轴设置第二固定管；所述第二固定管上设有与清洗装置内腔连通的第二螺纹孔，所述第二螺纹孔用于连接反冲水管；所述第二螺纹孔连接反冲水管时，所述反冲水管的喷射口和清洗盘上圆孔的中心线高度相等；

所述反冲水管包括位于水管顶端的直射喷口和位于水管侧面的侧射喷口；所述反冲水管内腔与清洗装置内腔连通。

2.如权利要求1所述的一种用于水下的清洗装置，其特征在于，所述清洗盘上设有至少两个圆孔，所述圆孔外侧安装椭圆调节器，所述椭圆调节器上设有不同孔径的圆孔；通过调节椭圆调节器上圆孔与清洗盘上圆孔的对应关系，调节通过清洗盘上圆孔的清洗盘上圆孔过水量，从而调节清洗盘内部和外部的压力差。

3.如权利要求1所述的一种用于水下的清洗装置，其特征在于，所述第二旋转接头和第二固定管之间通过滚动轴承连接，所述第二旋转接头和第二固定管相接触的端面位置设置端面轴承或者角接触球轴承。

4.如权利要求1所述的一种用于水下的清洗装置，其特征在于，所述清洗盘内部设有至少一个封闭的空腔，所述空腔设有由于连接密封管接头或密封堵头的密封螺纹接口；通过控制所述空腔中的液体量可以控制清洗盘所受浮力的大小。

5.如权利要求1所述的一种用于水下的清洗装置，其特征在于，所述第一旋转接头外同轴设置第一固定管，所述第一旋转接头和第一固定管之间通过滑动轴承连接，所述第一旋转接头和第一固定管相接触的端面位置设置端面轴承。

6.如权利要求5所述的一种用于水下的清洗装置，其特征在于，所述第一固定管上设有与清洗装置内腔连通的第一螺纹孔，所述第一螺纹孔用于连接反冲水管。

7.如权利要求1所述的一种用于水下的清洗装置，其特征在于，所述空化喷射杆包括：分别与三通阀的两个开口方向相反的端口连接的无缝钢管，所述无缝钢管上连接空化喷头，所述空化喷头的数量以及空化喷头与无缝钢管之间的夹角能够根据需要进行调整。

8.一种水下清洗机器人系统，其特征在于，包括：权利要求1-7任一项所述的用于水下的清洗装置，所述清洗装置中第一固定管外侧固定有装载夹具，所述装载夹具与水下机器人机械臂末端的执行器连接。

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