CN112407179B - 一种海洋装备水下清洗装置及其清洗控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋装备水下清洗装置，包括机身、机械臂、清洗器、定位夹持臂、电履带、清洗盘，机械臂安装于机身的顶部，清洗器安装于机械臂的末端，机身的横向相对两侧分别对称设有一组定位夹持臂，电履带在机身的横向相对两侧分别依次间隔设有两个，每组包含两个间隔设置的定位夹持臂，清洗盘设有多个，安装于机身的底部。本发明还公开了该装置的清洗控制方法。本装置满足船体表面清洗、海洋平台导管架、海底管路、养殖网衣的清洗作业方式，通用性强，适应范围广，节约成本；避免了因水下不可控的洋流扰动以及其他无法预知的潜在风险给装置本体带来的安全隐患，提高作业稳定性与作业范围；保证各个角落清洗，清洗效率高，清洁度高。

Description

一种海洋装备水下清洗装置及其清洗控制方法

技术领域

本发明涉及海洋清洗领域，尤其是涉及一种海洋装备水下清洗装置及其清洗控制方法。

背景技术

由于藻类、贝类等海洋生物会吸附与侵蚀船体表面、养殖网衣、海水管路等海洋装备，海洋污损一直是困扰航运和水下设施的难题。对于船舶而言，海洋污损会增加船舶的阻力，造成燃料消耗增加、船速下降，同时还会加快船体表面金属的电化学腐蚀过程和速度，影响船舶安全运行。在水产养殖业，海生物造成网孔堵塞的同时还会与养殖贝类争夺附着基和饵料，影响牡蛎等养殖贝类生长及产量。而对于海洋平台而言，海洋污损会增加平台支架体积和粗糙度，加大外载荷，增加平台自重并提高平台重心，提高平台发生倾斜或倒塌的可能性。目前海洋污损生物的防治方法按防污技术原理可将其分为物理防污法、化学防污法和生物防污法。物理防污法属于传统防污方法，操作简单方便、时效性较强、无毒环保，但清除效率较低、易损坏船体构件、清除成本较高；化学防污法可以实现较长时间的防污效果，但对已产生的污损难以去除，其采用的有毒物质会污染海洋环境，对人类本身也有较大危害。生物防污法采用天敌防除的生物方法解决海生物附着问题，达到防除污损生物的目的。

专利CN208882066U船舶在行驶和停靠锚地清除附着物的装置中，其通过设置柔性磁吸附带，爬壁清洗装置经过弧面时由磁力补偿装置补偿吸附力实现在不损伤油漆面时清除附着物，但当船体弧面角度过大时，由于其履带结构为单履带式，故存在无法正常通行。难以保证船体表面全方位清洗。专利CN10994001A一种水下洗网机及其洗网模块以及洗网方法中，其依靠螺旋桨产生推力使洗网模块上的清洗盘贴合网衣表面进行清洗，但螺旋桨的推力过小则清洗效果不佳，推力过大，则会导致网衣断裂或被网衣缠绕，且通过缆绳拖拽洗网模块进行水下运动，受水流影响悬浮定位困难。专利CN108380601A一种水下钢管桩表面清洁清洗装置中，其整体结构为弧形，适应钢管圆弧外表面需要，并行走系统为4只磁力驱动轮，可产生磁力吸附在钢管柱表面。但其作周向运动时，由于其自重与清洗装置发推力，存在脱离管道的风险，难以做到全方位清洗。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种海洋装备水下清洗装置，便于水下清洗作业，满足定位需求。并提供了其清洗控制方法。

技术方案：一种海洋装备水下清洗装置，包括机身、机械臂、清洗器、定位夹持臂、电履带、清洗盘，机械臂安装于机身的顶部，清洗器安装于机械臂的末端，机身的横向相对两侧分别对称设有一组定位夹持臂，电履带在机身的横向相对两侧分别依次间隔设有两个，每组包含两个间隔设置的定位夹持臂，清洗盘设有多个，安装于机身的底部。

进一步的，清洗器包括底座、带座轴承、空心转轴、清洗刷驱动装置、清洗刷、步进电机、清洗枪、清洗枪驱动装置，底座上平行间隔安装有两个带座轴承，空心转轴依次穿设于两个带座轴承中并与两者连接，清洗刷通过清洗刷驱动装置在空心转轴的一端周向设置并与其连接，清洗枪从空心转轴的另一端穿入，步进电机安装于底座上并与空心转轴连接，清洗枪驱动装置在空心转轴尾端的一侧安装于底座上，清洗枪与清洗枪驱动装置连接，底座与机械臂连接。

最佳的，清洗刷驱动装置、清洗枪驱动装置均为直线模组结构。

进一步的，定位夹持臂包括基座驱动装置、基座、第一夹持关节、第二夹持关节，基座驱动装置安装在机身的侧面上，基座驱动装置上装有基座，基座的端部与第一夹持关节一端铰接，第一夹持关节另一端与第二夹持关节的一端铰接。

最佳的，基座驱动装置为直线模组结构。

进一步的，电履带包括支撑架、履带、第一铰接杆、第二铰接杆、履带驱动装置，支撑架的外圈包括多个依次间隔分布的轮子，履带套设于多个轮子的外周面上，第一铰接杆一端、第二铰接杆一端分别与支撑架连接，第一铰接杆的另一端与机身铰接，第二铰接杆的另一端与履带驱动装置铰接，履带驱动装置铰接在机身上。

进一步的，清洗盘包括清洗管、清洗罩，清洗管穿设于清洗罩的中部并与其连接，清洗罩固定于机身底部。

最佳的，清洗盘的数量为五个，其中包括一个大尺寸清洗盘及四个小尺寸清洗盘，大尺寸清洗盘设于机身底部的中部，小尺寸清洗盘在大尺寸清洗盘的四周间隔分布。

进一步的，本装置还包括控制系统，控制系统包括上位机和下位机，下位机安装于机身上，下位机包括控制模块、监测模块和数据处理模块。

一种海洋装备水下清洗装置的清洗控制方法，包括以下步骤：

步骤一：通过上位机控制清洗装置运动到待清洗对象附近，清洗装置初定位；

步骤二：根据待清洗对象的定位特征，选择合适的定位方式将清洗装置固定在待清洗对象上；当定位特征为平面或曲率变化较小的面时，采用电履带电磁吸附结合动力压紧的方式；当定位特征为镂空网面时，使用两个水下清洗装置，采用电履带对置吸附方式；当定位特征为圆柱面时，采用夹持臂进行定位；

步骤三：选择清洗方式，当待清洗表面为平面或曲率变化较小的面、镂空网面时，使用清洗盘清洗；当待清洗表面为复杂曲面或清洗空间狭小时，使用机械臂带动清洗器清洗；

步骤四：定位、清洗过程中，控制系统监测模块实时监测水下清洗装置的运行参数信息，根据采集的信息判断清洗装置运行是否正常，并将信息反馈到上位机显示；同时，数据处理模块根据水下清洗装置采集的清洗图像，判断已清洗区域清洁度是否达到要求，未达到清洁度要求的区域需要重新规划清洗路径进行重复清洗，直至清洁度满足要求；

步骤五：清洗完毕后，通过上位机控制水下清洗装置运动，回收清洗装置。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)本装置设有多种定位结构和清洗结构，根据不同的清洗对象选择适合的定位方式和清洗方式，满足船体表面清洗、海洋平台导管架、海底管路、养殖网衣的清洗作业方式，通用性强，适应范围广，节约成本；

(2)采用可调间距夹持臂实现对不同直径的管道稳定可靠的定位操作，保证了清洗作业过程中水下清洗装置与目标管道之间的相对位置固定不变，并且通过履带轮驱动履带可沿管道可实现周向清洗，相比于传统水下清洗装置的磁力吸附定位、负压吸附定位、推力吸附定位等方式，避免了因水下不可控的洋流扰动以及其他无法预知的潜在风险给装置本体带来的安全隐患，提高作业稳定性与作业范围；

(3)采用对置电磁吸附方式，实现清洗装置定位在镂空网面上，相比于单方向吸附可以减少对网衣的附着力，降低由于网衣质地柔软被缠绕的风险，并且网衣在海底暗流的作用存在一定摆幅，对于清洗装置难以实现连续清洗作业，对置电磁吸附方式可利用水下清洗装置自身的推力装置，实现在水中的定深定点清洗，而不需要借助网衣的附着力，提高本发明装置可适用范围；

(4)采用负压吸附空化射流盘和两段式履带运动方式，可适用于水下各种材质及复杂曲面表面上运动，提高本发明的清洗范围；

(5)采用多功能作业系统和组合式拼装技术相结合，针对管道清洗时配备可夹持管道的机械手，当更换清洗对象时，可将夹持机械手拆卸，控制其运动的直线模组可作为调整清洗装置重心使用，增加装置系统功能的多样性；

(6)利用浮筒与推进器配合使用，在全方位运动的同时，可以有效降低由于海水密度变化产生的浮力影响，使清洗装置可自由调整水下姿态，保证各个角落清洗，清洗效率高，清洁度高。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为清洗盘的结构示意图；

图3为清洗器的结构示意图；

图4为定位夹持臂的结构示意图；

图5为电履带的结构示意图；

图6为夹持定位原理图；

图7控制系统控制原理图；

图8为清洗方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种海洋装备水下清洗装置，如图1～5所示，包括机身1、机械臂2、清洗器3、定位夹持臂4、电履带5、清洗盘6。

机械臂2安装于机身1的顶部，机械臂2包括多个可活动关节，关节与关节之间通过伺服舵机实现相对运动，清洗器3安装于机械臂2的末端。

清洗器3包括底座31、带座轴承32、空心转轴33、清洗刷驱动装置34、清洗刷35、步进电机36、清洗枪37、清洗枪驱动装置38，底座31上平行间隔安装有两个带座轴承32，空心转轴33依次穿设于两个带座轴承32中并与两者连接，清洗刷35通过清洗刷驱动装置34在空心转轴33的一端周向设置并与其连接，清洗枪37从空心转轴33的另一端穿入，步进电机36安装于底座31上并与空心转轴33连接，清洗枪驱动装置38在空心转轴33尾端的一侧安装于底座31上，清洗枪37与清洗枪驱动装置38连接，底座31与机械臂2连接。清洗刷驱动装置34、清洗枪驱动装置38均为直线模组结构，清洗刷驱动装置34包括固定座341、驱动块342、连杆343，清洗刷35铰接在固定座341上，驱动块342与清洗刷35通过连杆343铰接相连，驱动块342前后移动，带动清洗刷35张开或收回；清洗刷35为一个完整盘状清洗刷均分形成；空心转轴33在步进电机36驱动下转动，带动清洗盘35转动，实现清洗功能；清洗枪驱动装置38带动清洗枪37前后移动。

清洗器3包括清洗刷盘和清洗枪两种状态，用于清洗曲率变化大的复杂曲面或狭小空间；当使用清洗刷35清洗时，清洗枪驱动装置38带动清洗枪37缩回，驱动块342向前运动，使得清洗刷35打开，形成完整的清洗刷盘；当使用清洗枪37清洗时，驱动块342向后运动，使得清洗刷35缩回，清洗枪驱动装置38带动清洗枪37伸出，实现清洗盘和清洗枪37复用功能。

机身1的横向相对两侧分别对称设有一组定位夹持臂4，每组包含两个间隔设置的定位夹持臂4，定位夹持臂4包括基座驱动装置41、基座42、第一夹持关节43、第二夹持关节44，基座驱动装置41为直线模组结构，基座驱动装置41安装在机身1的侧面上，基座驱动装置41上装有基座42，基座42的端部与第一夹持关节43一端铰接，第一夹持关节43另一端与第二夹持关节44的一端铰接。两个铰接点处分别设有一个驱动电机作为驱动件，使得三者之间可相对转动，以实现夹持运动。基座驱动装置41可带动基座42移动，调节一组夹持臂4之间的距离；第一夹持关节43和第二夹持关节44长度可调整，适用于不同直径的管状对象的清洗。

夹持臂4的夹持定位原理如图6所示，一组夹持臂4基座42间距为2B，被清洗管状对象直径为2R，则第一夹持关节43和第二夹持关节44最小长度L1和L2为：

夹持臂4的第一夹持关节43和第二夹持关节44的长度根据计算结果设计或调整。

电履带5在机身1的横向相对两侧分别依次间隔设有两个，电履带5包括支撑架51、履带52、第一铰接杆53、第二铰接杆54、履带驱动装置55，支撑架51的外圈包括多个依次间隔分布的轮子，履带52套设于多个轮子的外周面上，第一铰接杆53一端、第二铰接杆54一端分别与支撑架51连接，第一铰接杆53的另一端与机身1铰接，第二铰接杆54的另一端与履带驱动装置55铰接，履带驱动装置55铰接在机身1上。第一铰接杆53外接动力源转动，使其带动电履带5行走，履带驱动装置55为电动推杆，运动原理同丝杆螺母，其输出轴伸出或收回，使支撑架51绕第一铰接杆53转动，进而带动电履带5绕第一铰接杆53转动；履带52通电后产生磁性，可吸附在磁性金属表面，若清洗对象为镂空网面，可将两台清洗装置对称布置，通过两台清洗装置的电履带吸附，固定在镂空网面上。

清洗盘6设有多个，安装于机身1的底部。清洗盘6的数量为五个，其中包括一个大尺寸清洗盘6及四个小尺寸清洗盘6，大尺寸清洗盘6设于机身1底部的中部，为主清洗盘，小尺寸清洗盘6在大尺寸清洗盘6的四周间隔分布，为副清洗盘。清洗盘6包括清洗管61、清洗罩62，清洗管61穿设于清洗罩62的中部并与其连接，清洗罩62固定于机身1底部。

基于上述的清洗装置的控制系统，如图7所示，包括上位机100和下位机200，下位机200安装于机身1上，上位机100将用户指令发送到下位机200，同时接收下位机200反馈的清洗装置运行状态、参数等信息并显示。

下位机200包含运动控制模块、监测模块和数据处理模块，下位机200运动控制模块包括推进器、直线模组驱动器、机械手关节电机驱动器、通电磁性履带继电器，检测模块包括深度计，陀螺仪等，数据处理模块的核心为嵌入式计算机，由软件编写的人机交互界面程序组成，下位机200开机后自动运行，包括数据交换，摄像头图像采集等功能；下位机200接收上位机100的指令，根据指令控制清洗装置运行，包括机身、定位机构控制和清洗装置的运动控制；监测模块位于下位机200的电子舱中，由深度计、陀螺仪、超声波传感器、摄像头等传感器组成，深度计可实时监控清洗装置入水深度，陀螺仪可反馈清洗装置的姿态信息，超声波传感器可保证清洗刷与桨叶表面的最佳距离。监测清洗装置本体运行状态、定位状态、清洗状态、故障信息等；数据处理模块将水下清洗装置采集到的图像信息、运动参数信息处理得出有效信息后用于下位机200控制清洗装置运行，同时通过下位机200将信息反馈到上位机100。

一种上述的海洋装备水下清洗装置的清洗控制方法，如图8所示，包括以下步骤：

步骤一：通过上位机控制清洗装置运动到待清洗对象附近，清洗装置初定位；

步骤二：根据待清洗对象的定位特征，选择合适的定位方式将清洗装置固定在待清洗对象上；当定位特征为平面或曲率变化较小的面时，采用电履带电磁吸附结合动力压紧的方式，操作人员控制清洗装置沿着规定路线运行定位表面附近，调整清洗装置姿态使履带正对定位表面，控制推进器使水下清洗装置紧贴定位表面，或磁履带通电，使水下清洗装置吸附在定位表面；当定位特征为镂空网面时，采用电履带相对设置吸附方式，使用两个水下清洗装置，操作人员控制水下清洗装置的履带正对网箱表面，调整两个水下清洗装置的位置和姿态，使二者电履带贴合，通电后实现电磁吸附定位功能；当定位特征为圆柱面时，采用夹持臂进行定位，操作员控制水下清洗装置移动到管道上方区域，控制驱动电机使夹持关节展开，接着控制水下清洗装置运动，使夹持关节包住管道，最后控制驱动电机将夹持臂锁紧，实现管道定位功能。

步骤三：定位完成后选择清洗方式，当待清洗表面为平面或曲率变化较小的面、镂空网面时，采用清洗盘清洗；当待清洗表面为复杂曲面或清洗空间狭小时，采用机械臂带动清洗器清洗；

机身采集待清洗对象的图像信息(岸上操作人员可通过清洗器中摄像头实时观察清洗对象)，发送到数据处理模块，数据处理模块根据采集的图像信息，结合清洗装置的清洗方式和有效清洗范围，规划出清洗路径，并将运动控制参数发送到运动控制模块，进而由运动控制模块控制清洗装置完成清洗运动，实现清洗功能；

步骤四：定位、清洗过程中，控制系统监测模块实时监测水下清洗装置、清洗机构、定位机构的运行参数信息，根据采集的信息判断清洗装置运行是否正常，并将信息反馈到上位机显示；同时，数据处理模块根据机身采集的清洗图像，判断已清洗区域清洁度是否达到要求，未达到清洁度要求的区域需要重新规划清洗路径进行重复清洗，直至清洁度满足要求；

步骤五：清洗完毕后，通过上位机控制水下清洗装置运动，回收清洗装置。

Claims (9)

1.一种海洋装备水下清洗装置，其特征在于：包括机身、机械臂、清洗器、定位夹持臂、电履带、清洗盘，机械臂安装于机身的顶部，清洗器安装于机械臂的末端，机身的横向相对两侧分别对称设有一组定位夹持臂，每组包含两个间隔设置的定位夹持臂，电履带在机身的横向相对两侧分别依次间隔设有两个，清洗盘设有多个，安装于机身的底部；清洗器包括底座、带座轴承、空心转轴、清洗刷驱动装置、清洗刷、步进电机、清洗枪、清洗枪驱动装置，底座上平行间隔安装有两个带座轴承，空心转轴依次穿设于两个带座轴承中并与两者连接，清洗刷通过清洗刷驱动装置在空心转轴的一端周向设置并与其连接，清洗枪从空心转轴的另一端穿入，步进电机安装于底座上并与空心转轴连接，清洗枪驱动装置在空心转轴尾端的一侧安装于底座上，清洗枪与清洗枪驱动装置连接，底座与机械臂连接。

2.根据权利要求1所述的一种海洋装备水下清洗装置，其特征在于：清洗刷驱动装置、清洗枪驱动装置均为直线模组结构。

3.根据权利要求1所述的一种海洋装备水下清洗装置，其特征在于：定位夹持臂包括基座驱动装置、基座、第一夹持关节、第二夹持关节，基座驱动装置安装在机身的侧面上，基座驱动装置上装有基座，基座的端部与第一夹持关节一端铰接，第一夹持关节另一端与第二夹持关节的一端铰接。

4.根据权利要求3所述的一种海洋装备水下清洗装置，其特征在于：基座驱动装置为直线模组结构。

5.根据权利要求1所述的一种海洋装备水下清洗装置，其特征在于：电履带包括支撑架、履带、第一铰接杆、第二铰接杆、履带驱动装置，支撑架的外圈包括多个依次间隔分布的轮子，履带套设于多个轮子的外周面上，第一铰接杆一端、第二铰接杆一端分别与支撑架连接，第一铰接杆的另一端与机身铰接，第二铰接杆的另一端与履带驱动装置铰接，履带驱动装置铰接在机身上。

6.根据权利要求1所述的一种海洋装备水下清洗装置，其特征在于：清洗盘包括清洗管、清洗罩，清洗管穿设于清洗罩的中部并与其连接，清洗罩固定于机身底部。

7.根据权利要求6所述的一种海洋装备水下清洗装置，其特征在于：清洗盘的数量为五个，其中包括一个大尺寸清洗盘及四个小尺寸清洗盘，大尺寸清洗盘设于机身底部的中部，小尺寸清洗盘在大尺寸清洗盘的四周间隔分布。

8.根据权利要求1所述的一种海洋装备水下清洗装置，其特征在于：还包括控制系统，控制系统包括上位机和下位机，下位机安装于机身上，下位机包括控制模块、监测模块和数据处理模块。

9.一种权利要求1～8任一所述的海洋装备水下清洗装置的清洗控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：通过上位机控制清洗装置运动到待清洗对象附近，清洗装置初定位；

步骤二：根据待清洗对象的定位特征，将清洗装置固定在待清洗对象上；当定位特征为平面或曲率变化较小的面时，采用电履带电磁吸附结合动力压紧的方式；当定位特征为镂空网面时，使用两个水下清洗装置，采用电履带对置吸附方式；当定位特征为圆柱面时，采用夹持臂进行定位；

步骤三：选择清洗方式，当待清洗表面为平面或曲率变化较小的面、镂空网面时，使用清洗盘清洗；当待清洗表面为复杂曲面或清洗空间狭小时，使用机械臂带动清洗器清洗；

步骤四：定位、清洗过程中，控制系统监测模块实时监测水下清洗装置的运行参数信息，根据采集的信息判断清洗装置运行是否正常，并将信息反馈到上位机显示；同时，数据处理模块根据水下清洗装置采集的清洗图像，判断已清洗区域清洁度是否达到要求，未达到清洁度要求的区域需要重新规划清洗路径进行重复清洗，直至清洁度满足要求；

步骤五：清洗完毕后，通过上位机控制水下清洗装置运动，回收清洗装置。

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