CN111976912A - 一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人及其工作方法 - Google Patents

一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人及其工作方法 Download PDF

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徐敏义
郑嘉熙
李文祥
刘翔宇
孟昭辰
宋立国
董景明
付先平
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Abstract

本发明公开了一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人及其工作方法，所述的机器人包括履带模块、空化射流清洗模块、转刷清洗模块、驱动模块、控制模块和框架；所述的履带模块有两个，分别安装在主体的左右两侧；所述的空化射流清洗模块安装在首部的底下；所述的转刷清洗模块安装在主体的的底下。本发明的履带结构能带来更高的稳定性。本发明采用垂直推进器、永磁铁与电磁铁的组合使用方式，既能提供稳定的吸附力，也能解决永磁铁履带难以脱离金属壁面的难题。本发明采用采用空化射流清洗与转刷清洗混合使用的清洗方式，先进行空化射流清洗，清除大型附着物，再进行转刷清洗，清除小型附着物，混合式清洗具有更高的清洗效率。

Description

一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人及其工作方法
技术领域
本发明涉及涉及ROV技术，具体涉及一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人及其工作方法。
背景技术
海洋生物长期附着在船舶表面会大大增加船舶阻力，使船舶降速约10％，油耗增加最大可达40％，严重耽误航期，增大运营成本。我国大型船坞数量不足，修坞周期长，目前，清洗船体表面附着物是实现船舶节能减排的主要手段。而全球船舶行业每年的船舶清洗费用接近100亿美元。大型货轮在干船坞内清洗费用高达30万元。作为一项临时措施，许多船东派遣潜水员检查船体并清除生物污垢，这些潜水员使用刮板和洗涤器手动清洁船体，水下清洗作业的特点是极端恶劣的工作环境。此外，潜水员在水下的身体承受能力有限，操作时间和范围同样受限，导致其工作效率低，清洗质量难以保证，而且一旦破坏防污漆会释放大量有毒物质，使船舶更容易受到生物污染。还存在疾病和事故隐患，费时费力且风险高。燃料消耗并不是生物污染造成的唯一威胁。一部分海洋生物可以将自己固定在船上并前往其他地区。尽管有时无害，但这可能会导致物种入侵。
为了提高水下船体的清洗效率和清洗效果，中国专利CN201620916527.3公开了一种水下船体清洗机器人，其包括若干个吸附组件、机器人本体、若干个轮式组件、清洗机构和控制机构；所述吸附组件包含永磁体、导杆、导杆弹簧和若干个万向轴承。本实用新型结构简单，成本低廉，其采用非接触性永磁吸附方式，同时使用轮式结构进行运动，能耗可大幅降低，同时轮式结构运动快，转弯灵活，能大幅提高清洗效率。
但是，该机器人依然存在很多问题，例如，吸附形式单一，容易受到船体表面材质的限制、在船体表面移动效率低，轮式结构非常容易打滑，控制精度低、清洗形式单一，在采用大功率射流清洗时，其反作用力易导致机器脱离船体表面，而小功率射流清洗时，会导致清洗不彻底。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可清洗范围广、清洗方式灵活的具备双清洗功能的水下船体清洗机器人及其工作方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人，包括履带模块、空化射流清洗模块、转刷清洗模块、驱动模块、控制模块和框架；
所述的框架包括首部和主体，首部为菱形体，主体为矩形体，首部与主体固定连接；所述的首部安装摄像头；
所述的履带模块有两个，分别安装在主体的左右两侧；所述的履带模块内部固定安装电磁铁，所述的电磁铁通过控制线与控制模块连接；所述的履带模块的橡胶履带外表面凹齿处固定安装永磁铁；
所述的空化射流清洗模块安装在首部的底下；
所述的转刷清洗模块包括两个转刷清洗轮，两个转刷清洗轮横向并排安装在主体的的底下；
所述的驱动模块包括五个垂直推进器、两个纵向推进器和一个侧向推进器；所述的五个垂直推进器包括一个首部垂直推进器和四个主体垂直推进器，所述的首部垂直推进器竖直安装在首部的中心轴线上，所述的四个主体垂直推进器分别竖直安装在主体的四个角部；所述的两个纵向推进器分别对称安装在主体尾部的两侧，所述的侧向推进器横向安装在首部；所述的垂直推进器、纵向推进器和侧向推进器均为双向推进器；
所述的控制模块安装在两个密封控制舱内，两个密封控制舱安装在主体的上部；
所述的控制模块通过数据线分别与履带模块、空化射流清洗模块、转刷清洗模块和驱动模块连接，控制模块通过载波线与岸上控制中心连接。
进一步地，所述的垂直推进器、纵向推进器和侧向推进器均通过各自的整流罩安装在相应的部位上。
进一步的，所述的首部由首部顶板与两块首部侧板固定连接组成菱形体，首部顶板与主体顶板交界处成135度夹角；两侧首部侧板与主体侧板固定，首部侧板与主体侧板交界处成135度夹角。
进一步地，整个机器人的结构为左右对称结构。
一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人的工作方法，包括以下步骤：
A、靠近船体表面
通过岸上控制中心发送控制信号到控制模块，控制模块再对驱动模块的各个推进器进行控制，通过不断调整机器人位姿，使得机器人自由移动到水下船体表面且机器人底部靠近船体表面；
B、吸附到船体表面上
操作人员根据船体表面的材质选择机器人的吸附形式，如果船体表面为含铁金属表面，则采用混合吸附形式；否则，采用推力吸附形式；所述的混合吸附形式包括推力吸附形式和磁力吸附形式；所述的推力吸附形式是通过垂直推进器产生反向于船体表面的推力将机器人压在船体表面上；所述的磁力吸附形式是通过履带模块装配的电磁铁通电产生吸引力和永磁铁产生的吸引力将机器人吸附在船体表面上；
C、清洗船体表面
C1、清洗：控制模块控制空化射流清洗模块的电磁阀打开，高压水射流以与船体表面成15-25度的角度冲击船体表面，从而清除船体表面上的大型附着物，同时控制模块控制转刷清洗模块将船体表面上的小型残余附着物清除；在清洗过程中，通过安装在首部的摄像头观看船体表面的附着物清洗的难易程度，并据此调节水射流流速和转刷清洗轮转速；机器人在船体表面进行履带式移动，直至完成一条直线轨迹的清洗；
C2、移动：控制模块控制机器人移动到船体表面的另一条直线上，机器人本次移动路径宽度覆盖前次移动路径宽度的一半，即机器人在水下船体表面进行自动规划清洗时，在宽度方向上本次清洗轨迹覆盖前次清洗轨迹的一半；
C3、清洗：按步骤C1进行清洗直至完成整个船体表面的清洗；
D、结束
控制模块控制机器人离开船体表面，清洗结束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1.本发明在机器人首部采用四棱锥形结构，有效减缓了在船体表面作业时水流阻力的影响，同时增强其与水下环境的协调性，致使其可在船舶航行的同时进行工作，省去了不必要的停船清洗工序，降低了清洗成本。
2.本发明提出了一种高稳定性的履带结构，且零件易拆卸，节省了后期维护的成本；同时履带表面与船体表面接触面积大，不易打滑；与轮式结构相比，履带结构能带来更高的稳定性；再者履带表面更容易安装永磁铁，易于实现磁力吸附功能。
3.本发明采用垂直推进器、永磁铁与电磁铁的组合使用方式，既能提供稳定的吸附力，也能解决永磁铁履带难以脱离金属壁面的难题。当需要增大吸附力时，可以增大电磁铁的正向磁力、也可以再增加垂直推进器的向外推力，从而适应更高强度的海流情况，使机器人紧紧吸附在船体表面；当需要脱离船体表面时，可使电磁铁产生反向磁力以此抵消永磁铁对脱离船体表面的吸附作用，同时可以通过增加垂直推进器向里的推力来使得机器人更迅速的脱离船体表面。
4.本发明采用采用空化射流清洗与转刷清洗混合使用的清洗方式，先进行空化射流清洗，清除大型附着物，再进行转刷清洗，清除小型附着物，混合式清洗具有更高的清洗效率，有效的清除船体附着物可以降低船舶燃油损耗，避免物种入侵。
5.本发明采用高强度空化射流喷嘴与空化射流喷嘴连接管，多个空化射流喷头模块与传统的双螺旋喷头模块相比，具有清洗范围广，清洗效率高，装配灵活等优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2是图1的侧向剖面图。
图3是图1的尾部背视示意图。
图4是图1的仰视示意图。
图5是本发明的履带模块示意图。
图中：1、主体垂直推进器，2、密封控制舱，3、主体侧板，4、橡胶履带，5、履带模块，6、空化射流清洗模块，7、首部侧板，8、首部顶板，9、首部垂直推进器，10、摄像头，11、永磁铁，12、侧向推进器，13、转刷清洗模块，14、纵向推进器，15、电磁铁。
具体实施方式
下面结合附图来进一步描述本发明。如图1-5所示，一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人，包括履带模块5、空化射流清洗模块6、转刷清洗模块13、驱动模块、控制模块和框架；
所述的框架包括首部和主体，首部为菱形体，主体为矩形体，首部与主体固定连接；所述的首部安装摄像头10；
所述的履带模块5有两个，分别安装在主体的左右两侧；所述的履带模块5内部固定安装电磁铁15，所述的电磁铁15通过控制线与控制模块连接；所述的履带模块5的橡胶履带4外表面凹齿处固定安装永磁铁11；
所述的空化射流清洗模块6安装在首部的底下；
所述的转刷清洗模块13包括两个转刷清洗轮，两个转刷清洗轮横向并排安装在主体的的底下；
所述的驱动模块包括五个垂直推进器、两个纵向推进器14和一个侧向推进器12；所述的五个垂直推进器包括一个首部垂直推进器9和四个主体垂直推进器1，所述的首部垂直推进器9竖直安装在首部的中心轴线上，所述的四个主体垂直推进器1分别竖直安装在主体的四个角部；所述的两个纵向推进器14分别对称安装在主体尾部的两侧，所述的侧向推进器12横向安装在首部；所述的垂直推进器、纵向推进器14和侧向推进器12均为双向推进器；
所述的控制模块安装在两个密封控制舱2内，两个密封控制舱2安装在主体的上部；
所述的控制模块通过数据线分别与履带模块5、空化射流清洗模块6、转刷清洗模块13和驱动模块连接，控制模块通过载波线与岸上控制中心连接。
进一步地，所述的垂直推进器、纵向推进器14和侧向推进器12均通过各自的整流罩安装在相应的部位上。
进一步的，所述的首部由首部顶板8与两块首部侧板7固定连接组成菱形体，首部顶板8与主体顶板交界处成135度夹角；两侧首部侧板7与主体侧板3固定，首部侧板7与主体侧板3交界处成135度夹角。
进一步地，整个机器人的结构为左右对称结构。
一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人的工作方法，包括以下步骤：
A、靠近船体表面
通过岸上控制中心发送控制信号到控制模块，控制模块再对驱动模块的各个推进器进行控制，通过不断调整机器人位姿，使得机器人自由移动到水下船体表面且机器人底部靠近船体表面；
B、吸附到船体表面上
操作人员根据船体表面的材质选择机器人的吸附形式，如果船体表面为含铁金属表面，则采用混合吸附形式；否则，采用推力吸附形式；所述的混合吸附形式包括推力吸附形式和磁力吸附形式；所述的推力吸附形式是通过垂直推进器产生反向于船体表面的推力将机器人压在船体表面上；所述的磁力吸附形式是通过履带模块5装配的电磁铁15通电产生吸引力和永磁铁11产生的吸引力将机器人吸附在船体表面上；
C、清洗船体表面
C1、清洗：控制模块控制空化射流清洗模块6的电磁阀打开，高压水射流以与船体表面成15-25度的角度冲击船体表面，从而清除船体表面上的大型附着物，同时控制模块控制转刷清洗模块13将船体表面上的小型残余附着物清除；在清洗过程中，通过安装在首部的摄像头10观看船体表面的附着物清洗的难易程度，并据此调节水射流流速和转刷清洗轮转速；机器人在船体表面进行履带式移动，直至完成一条直线轨迹的清洗；
C2、移动：控制模块控制机器人移动到船体表面的另一条直线上，机器人本次移动路径宽度覆盖前次移动路径宽度的一半，即机器人在水下船体表面进行自动规划清洗时，在宽度方向上本次清洗轨迹覆盖前次清洗轨迹的一半；
C3、清洗：按步骤C1进行清洗直至完成整个船体表面的清洗；
D、结束
控制模块控制机器人离开船体表面，清洗结束。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人，其特征在于：包括履带模块(5)、空化射流清洗模块(6)、转刷清洗模块(13)、驱动模块、控制模块和框架；
所述的框架包括首部和主体，首部为菱形体，主体为矩形体，首部与主体固定连接；所述的首部安装摄像头(10)；
所述的履带模块(5)有两个，分别安装在主体的左右两侧；所述的履带模块(5)内部固定安装电磁铁(15)，所述的电磁铁(15)通过控制线与控制模块连接；所述的履带模块(5)的橡胶履带(4)外表面凹齿处固定安装永磁铁(11)；
所述的空化射流清洗模块(6)安装在首部的底下；
所述的转刷清洗模块(13)包括两个转刷清洗轮，两个转刷清洗轮横向并排安装在主体的的底下；
所述的驱动模块包括五个垂直推进器、两个纵向推进器(14)和一个侧向推进器(12)；所述的五个垂直推进器包括一个首部垂直推进器(9)和四个主体垂直推进器(1)，所述的首部垂直推进器(9)竖直安装在首部的中心轴线上，所述的四个主体垂直推进器(1)分别竖直安装在主体的四个角部；所述的两个纵向推进器(14)分别对称安装在主体尾部的两侧，所述的侧向推进器(12)横向安装在首部；所述的垂直推进器、纵向推进器(14)和侧向推进器(12)均为双向推进器；
所述的控制模块安装在两个密封控制舱(2)内，两个密封控制舱(2)安装在主体的上部；
所述的控制模块通过数据线分别与履带模块(5)、空化射流清洗模块(6)、转刷清洗模块(13)和驱动模块连接，控制模块通过载波线与岸上控制中心连接。
2.根据权利要求1所述的一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人，其特征在于：所述的垂直推进器、纵向推进器(14)和侧向推进器(12)均通过各自的整流罩安装在相应的部位上。
3.根据权利要求1所述的一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人，其特征在于：所述的首部由首部顶板(8)与两块首部侧板(7)固定连接组成菱形体，首部顶板(8)与主体顶板交界处成135度夹角；两侧首部侧板(7)与主体侧板(3)固定，首部侧板(7)与主体侧板(3)交界处成135度夹角。
4.根据权利要求1所述的一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人，其特征在于：整个机器人的结构为左右对称结构。
5.一种具备双清洗功能的水下船体清洗机器人的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、靠近船体表面
通过岸上控制中心发送控制信号到控制模块，控制模块再对驱动模块的各个推进器进行控制，通过不断调整机器人位姿，使得机器人自由移动到水下船体表面且机器人底部靠近船体表面；
B、吸附到船体表面上
操作人员根据船体表面的材质选择机器人的吸附形式，如果船体表面为含铁金属表面，则采用混合吸附形式；否则，采用推力吸附形式；所述的混合吸附形式包括推力吸附形式和磁力吸附形式；所述的推力吸附形式是通过垂直推进器产生反向于船体表面的推力将机器人压在船体表面上；所述的磁力吸附形式是通过履带模块(5)装配的电磁铁(15)通电产生吸引力和永磁铁(11)产生的吸引力将机器人吸附在船体表面上；
C、清洗船体表面
C1、清洗：控制模块控制空化射流清洗模块(6)的电磁阀打开，高压水射流以与船体表面成15-25度的角度冲击船体表面，从而清除船体表面上的大型附着物，同时控制模块控制转刷清洗模块(13)将船体表面上的小型残余附着物清除；在清洗过程中，通过安装在首部的摄像头(10)观看船体表面的附着物清洗的难易程度，并据此调节水射流流速和转刷清洗轮转速；机器人在船体表面进行履带式移动，直至完成一条直线轨迹的清洗；
C2、移动：控制模块控制机器人移动到船体表面的另一条直线上，机器人本次移动路径宽度覆盖前次移动路径宽度的一半，即机器人在水下船体表面进行自动规划清洗时，在宽度方向上本次清洗轨迹覆盖前次清洗轨迹的一半；
C3、清洗：按步骤C1进行清洗直至完成整个船体表面的清洗；
D、结束
控制模块控制机器人离开船体表面，清洗结束。
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