CN112519978A - 一种船舶螺旋桨水下清洗装置及其清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶螺旋桨水下清洗装置，所述夹持定位卡爪机构安装于所述水平安装板的底面上，所述清洗模块移动机构安装于所述前安装板的板面上，所述控制系统硬件机构安装于所述后安装板的板面上，所述水平推进器组件围绕所述前安装板和后安装板构成的整体水平设置，所述前安装板、所述控制系统硬件机构分别与所述水平推进器组件连接，所述竖直推进器组件安装于所述后安装板的上部，所述测距传感器组件在所述前安装板的前部安装于所述水平安装板的上表面。并提供了其清洗方法。本发明实现高效的螺旋桨水下清洗作业，可以快捷自动地定位清洗装置的夹持位置，并在清洗前规划好最优的清洗路径，从而进一步提高清洗效率及自动化、智能化程度。

Description

一种船舶螺旋桨水下清洗装置及其清洗方法

技术领域

本发明涉及船舶螺旋桨清洗技术领域，尤其涉及一种船舶螺旋桨水下清洗装置及其清洗方法。

背景技术

船舶螺旋桨作为船舶推进的核心部件，具有良好的水动力性能和高效的推进效率，但由于船舶出航螺旋桨表面会附着如藤壶、海藻等海洋生物，形成生物污垢，从而增加船舶出航燃料损失，并且缩短桨叶工作寿命，造成巨大的经济损失，因此需要对螺旋桨进行定期的清洗。

目前螺旋桨清洗大多是通过专业的潜水人员携带相关的清洗设备入水清洗，但人工水下作业受水深、洋流、海洋生物以及潜水员自身等条件的影响与制约，导致传统的人工清洗作业不能满足安全和工期的要求。为适应水下作业环境的复杂多变和无法预知，自动化、智能化的船舶螺旋桨水下清洗装置逐步成为当前发展研究的热点。

现有的船舶螺旋桨水下清洗装置的清洗方法皆不能很好地解决问题，如专利ZL201810920885.5中所述的一种螺旋桨用水下空化清洗装置及其使用方法，通过控制机械臂运动带动前端安装的空化清洗盘对桨叶表面进行清洗，但该装置的机械结构缺少清洗过程中的稳定定位，仅依靠推进器的相互作用维持在水中的相对位置，受洋流波动的干扰比较大；而如专利ZL201810921297.3中所述的一种三点定位式螺旋桨水下清洗装置，虽提高了清洗桨叶表面时的定位稳定性，但是每次定位后的清洗面积有限，清洗过程需不断的改变定位位置以保证桨叶的完整清洗，清洗重复率高；又如专利ZL201510593564.5所述的一种水下船体清洗机器人，虽然使用双机械臂协调工作定位可靠，但是控制操作复杂不便，且机械手夹持部位无法清洗，需多次改变夹持位置以完成整体清洗，极大的影响了螺旋桨清洗的效率。

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船舶螺旋桨水下清洗装置，实现稳定定位以及装置的智能化清洗作业，并提供了该清洗装置的清洗方法。

技术方案：一种船舶螺旋桨水下清洗装置，包括倒T字型框架、控制系统硬件机构、以及分别与所述控制系统硬件机构信号连接的夹持定位卡爪机构、清洗模块移动机构、水平推进器组件、竖直推进器组件、测距传感器组件，所述倒T字型框架由竖直设置并叠置互连的前安装板和后安装板构成的整体与一水平安装板上表面垂直固定构成倒T字型结构，所述夹持定位卡爪机构安装于所述水平安装板的底面上，所述清洗模块移动机构安装于所述前安装板的板面上，所述控制系统硬件机构安装于所述后安装板的板面上，所述水平推进器组件围绕所述前安装板和后安装板构成的整体水平设置，所述前安装板、所述控制系统硬件机构分别与所述水平推进器组件连接，所述竖直推进器组件安装于所述后安装板的上部，所述测距传感器组件在所述前安装板的前部安装于所述水平安装板的上表面。

进一步的，所述夹持定位卡爪机构包括四个定位卡爪，分别为第一定位卡爪、第二定位卡爪、第三定位卡爪、第四定位卡爪，还包括支撑底板、定位观测系统，所述支撑底板与所述水平安装板的底面固定，四个所述定位卡爪间隔分为两组分别对称安装在所述支撑底板的底面上，所述定位观测系统在四个所述定位卡爪的中部安装于所述支撑底板的底面上。

进一步的，所述定位卡爪包括卡爪驱动电机、第一固定座、第二固定座、固定臂、联轴器、活动大臂、活动大臂连接轴、第一电动推杆、活动小臂、活动小臂连接轴、第二电动推杆、压力传感器，所述第一固定座与所述第二固定座相对间隔固定于所述支撑底板上，所述卡爪驱动电机安装于所述支撑底板上，所述固定臂的一端在所述第一固定座与所述第二固定座之间通过所述联轴器与所述卡爪驱动电机连接，所述活动大臂一端通过所述活动大臂连接轴与所述固定臂的另一端铰接，两臂之间安装有所述第一电动推杆作为活动大臂转动的动力源，所述活动小臂一端通过所述活动小臂连接轴与所述活动大臂另一端铰接，两臂之间安装所述第二电动推杆作为活动小臂转动的动力源，所述活动大臂和所述活动小臂的定位块上均安装有一个所述压力传感器。

进一步的，所述清洗模块移动机构包括竖直移动机构、水平移动机构、三维激光扫描仪、空化射流枪、多自由度水下机械手、清洗观察系统，所述竖直移动机构竖直安装于所述前安装板上，所述水平移动机构安装于所述竖直移动机构上，所述空化射流枪通过所述多自由度水下机械手安装于所述水平移动机构上，所述三维激光扫描仪在所述空化射流枪的一侧安装于所述水平移动机构上，所述清洗观察系统间隔设置于所述三维激光扫描仪的前部并位于其下方，所述清洗观察系统包括清洗观察机构安装板，所述清洗观察机构安装板安装于所述水平移动机构上，其内水平间隔固定有用于实施观察螺旋桨表面清洗效果的清洗观察水下灯和清洗观察水下摄像头。

进一步的，所述竖直移动机构包括竖直方向驱动电机、滑轨一、滚珠丝杠一，所述滑轨一在所述前安装板上竖直平行间隔设有两根，所述竖直方向驱动电机、所述滚珠丝杠一分别在两者之间安装于所述前安装板上，所述竖直方向驱动电机与所述滚珠丝杠一连接；所述水平移动机构包括L型底板、水平方向驱动电机、滑轨二、滚珠丝杠二、部件集成安装板，所述L型底板的竖直面架设安装于两个所述滑轨一上并与所述滚珠丝杠一连接，所述滑轨二在所述L型底板的水平内侧面上平行间隔设有两根，所述水平方向驱动电机、所述滚珠丝杠二分别在两者之间安装于所述L型底板水平内侧面上，所述水平方向驱动电机与所述滚珠丝杠二连接，所述部件集成安装板架设安装于两个所述滑轨二上并与所述滚珠丝杠二连接，所述三维激光扫描仪、所述空化射流枪、所述多自由度水下机械手、所述清洗观察系统分别安装于所述部件集成安装板上。

进一步的，所述控制系统硬件结构包括电子舱、电力舱和机械手控制舱，从上至下依次布置。

进一步的，所述水平推进器组件包括四个水平推进器，分别为第一水平推进器、第二水平推进器、第三水平推进器、第四水平推进器，还包括推进器安装座，所述第一水平推进器、所述第二水平推进器分别通过一个所述推进器安装座水平间隔安装于所述前安装板上，所述清洗模块移动机构位于两者之间，所述第三水平推进器和所述第四水平推进器分别水平间隔安装于所述控制系统硬件机构的相对两侧；所述竖直推进器组件包括第一竖直推进器、第二竖直推进器，所述第一竖直推进器与所述第二竖直推进器水平间隔安装于所述后安装板上，所述控制系统硬件机构位于两者之间。

进一步的，所述测距传感器组件包括第一水下超声波测距传感器、第二水下超声波测距传感器，所述第一水下超声波测距传感器、所述第二水下超声波测距传感器分别安装于所述水平安装板前端的两个顶角处。

一种上述的船舶螺旋桨清洗装置的清洗方法，包括以下步骤：

步骤一：吊放船舶螺旋桨水下清洗装置；

将船舶螺旋桨水下清洗装置通过船舶甲板或岸边的吊机投放入待清洗螺旋桨所在区域海水中，操作人员在船上或岸边通过水上操控台对水下清洗装置进行监控，通过网络通讯将水下拍摄到的画面反馈在水上操控台的观测界面上；

步骤二：定位夹持；

水上操作人员根据采集回来的图像画面，控制船舶螺旋桨水下清洗装置上的水平推进器组件、竖直推进器组件配合运动，将船舶螺旋桨水下清洗装置移动到待清洗螺旋桨桨轴的上方区域；利用测距传感器组件采集回来的数据反馈对船舶螺旋桨水下清洗装置的位置进行微调，使其处于螺旋桨桨轴的正上方区域位置，此时操作人员向控制系统硬件机构发送张开夹持定位卡爪机构的命令，控制夹持定位卡爪机构张开至最大展开量；向控制系统硬件机构发送继续下潜的命令，使船舶螺旋桨水下清洗装置落在桨轴上，向控制系统硬件机构发送收缩夹持定位卡爪机构的命令，完成抱轴夹紧的动作；

步骤三：桨叶轮廓识别；

待船舶螺旋桨水下清洗装置完成对于桨叶的相对固定后，控制清洗模块移动机构运动，采用螺旋桨桨叶整体轮廓的扫描识别方法获得待清洗螺旋桨桨叶单面的模型轮廓；

步骤四：桨叶正面循环清洗；

根据所获得的待清洗螺旋桨单面轮廓模型，采用多自由度水下机械手路径规划与控制方法由计算机操控带动清洗模块移动机构按规划路径进行清洗作业，同时，操作人员实时观察桨叶的清洗效果；

待完成单片桨叶的单面清洗作业后，清洗模块移动机构复位，夹持定位卡爪机构松开，控制水平方向推进器组件运动，使得船舶螺旋桨水下清洗装置绕桨轴旋转至下一片桨叶，重复步骤四，进而完成待清洗螺旋桨整体的单面清洗；

步骤五：桨叶背面清洗；

重复步骤二至四，船舶螺旋桨水下清洗装置通过夹持螺旋桨桨轴前端的桨帽实现对待清洗螺旋桨另一面的完整清洗，进而完成对待清洗螺旋桨的整体清洗；

步骤六：清洗装置回收；

船舶螺旋桨水下清洗装置松开夹持定位卡爪机构并缩回，吊机通过缆绳将船舶螺旋桨水下清洗装置回收回船上或岸上，完成一个清洗作业周期。

10、根据权利要求9所述一种船舶螺旋桨清洗装置的清洗方法，其特征在于：

在步骤二中，所述定位夹持包括以下步骤：

第一步：通过夹持定位卡爪机构的定位观测系统上的定位观测水下灯和定位观测水下摄像头，采集得到船舶螺旋桨水下清洗装置底部的实时图像信息，并把图像信号传送回计算机控制系统，在观测界面上显示出来；

第二步：水上操作人员根据采集回来的图像画面，控制水平推进器组件、竖直推进器组件配合配合运动，将船舶螺旋桨水下清洗装置移动到待清洗螺旋桨桨轴的上方区域；具体为上位机根据操作人员的指令发送信号给控制系统硬件机构，控制系统硬件机构在接收到信号后，发送数字量信号给对应的水平推进器组件或竖直推进器组件，进而实现对船舶螺旋桨水下清洗装置各推进器的控制；

第三步：根据测距传感器组件采集回来的数据反馈对船舶螺旋桨水下清洗装置的位置进行水平径向微调，使其处于螺旋桨桨轴的正上方区域位置，此时操作人员向下位机发送张开卡爪的命令，控制打开夹持定位卡爪机构至最大展开量；

第四步：向控制系统硬件机构发送继续下潜的命令，控制竖直推进器组件运动，令船舶螺旋桨水下清洗装置继续下移至桨轴正上方，通过测距传感器组件返回的各距离值调整船舶螺旋桨水下清洗装置的水中姿态；

第五步：向控制系统硬件机构发送收缩卡爪的命令，控制夹持定位卡爪机构反向运动，夹持定位卡爪机构的压力传感器采集得到压力数据P，当P满足Pmin＜P＜Pmax时，夹持定位卡爪机构上的所有第一电动推杆和第二电动推杆停止工作，其中Pmin表示夹紧桨轴的最小挤压力，Pmax表示夹紧桨轴的最大挤压力，从而完成船舶螺旋桨水下清洗装置对螺旋桨桨轴的定位夹持；

在步骤三中，所述螺旋桨桨叶整体轮廓的扫描识别方法包括以下步骤：

第1步：根据清洗模块移动机构上的三维激光扫描仪的扫描范围，再由清洗模块移动机构带动三维激光扫描仪运动所构成的X₀OY₀平面内设置相应的螺旋桨桨叶扫描站点，确保每两站扫描的点云数据之间的重叠部分在10％-20％之间；

第2步：控制三维激光扫描仪依次到达所设定的站点，每到达一个站点，水平移动机构停止工作，三维激光扫描仪开始工作，设定三维激光扫描仪中心为坐标原点，建立空间直角坐标系，X₁、Y₁为平面，Z₁为垂直方向，Q为坐标点到监测点的距离，α为扫描仪测量到的水平角，θ为扫描仪测量到的竖直角，求得待清洗螺旋桨目标点M相对于坐标原点的空间坐标，计算公式如下：

完成该站点扫描工作后，继续控制导轨运动前往下一个站点进行扫描，重复上述过程直至完成对整片桨叶的扫描工作；

第3步：对相邻两组站点中的一组点云数据进行坐标转换，得到相邻坐标系下该组数据的点云坐标，进而实现相邻两组站点的点云数据拼接，变换后的拼接点云坐标为:

其中，(X_b、Y_b、Z_b)为转换后的坐标，

(X_a、Y_a、Z_a)为未转换的坐标，

(X_T、Y_T、Z_T)是三个平移参数，

R是两个坐标之间的旋转矩阵。

以此类推，最终生成同一坐标系下的点云数据；

第4步：对点云数据进行杂点处理、噪声去除、冗余点处理、点云数量优化，将处理好的运输局导出成相应格式文件；

第5步：将点云数据文件导进相应建模软件，点云数据变成可编辑多边形网格模型，以三角网格的形式铺满整个模型表面，创建成完整光滑面片模型，模型完成后再进行相应修补，最终得到待清洗螺旋桨桨叶面的模型轮廓，并回传给计算机控制系统；

在步骤四中，所述多自由度水下机械手路径规划与控制方法包括以下步骤：

步骤1：在清洗模块移动机构内，以多自由度水下机械手机座相对水平移动机构和竖直移动机构的初始位置建立固定参考坐标系，表示为{0}；

步骤2：建立多自由度水下机械手连杆关节的坐标系{i}，设定多自由度水下机械手的关节i-1和i两轴线的公垂线同i轴线的交点为连杆坐标系{i}原点，关节i轴线为{i}的Z_i轴，关节i和i+1轴线的公共法线为{i}的X_i轴，右手定则确定{i}的Y_i轴，至此完成连杆坐标系{i}的定义，同理，依次定义坐标系{i-1}和{i+1}，末端执行器的坐标系为{n}；

步骤3：获取多自由度水下机械手末端执行器相对固定参考坐标系{0}的位姿表示公式：根据上述桨叶轮廓扫描方法得出待清洗桨叶面的模型轮廓，以及定位卡爪机构夹持桨轴的控制方法得到的船舶螺旋桨水下清洗装置与待清洗螺旋桨相对固定位置，再结合空化射流枪的有效清洗范围，由控制计算机综合三者数据信息得到多自由度水下机械手清洗完整桨叶面的末端执行机构相对于参考坐标系{0}的期望位姿，表示为：

式中：n，o，a为机械手在三维空间中的方位角所确定的空间向量；P为末端执行机构的位置坐标；r₁₁-r₃₃表示各个旋转角；

步骤4：设定各关节坐标系之间的坐标变换矩阵：根据步骤2建立的坐标系，通过4×4齐次变换矩阵建立水下机械手相邻两连杆间的空间关系，坐标变换关系矩阵为：

其中，a_i为相邻关节间的连杆长度、α_i为连杆扭角、d_i为连杆距离、θ_i为连杆夹角。

步骤5：求取多自由度水下机械手各关节转动角，根据步骤4得到相邻两个坐标系的位姿关系矩阵：

可知机械手末端执行器的位置坐标用参考坐标系{0}表示为：

并与步骤3公式连列方程组为：

计算机根据代数逆解方程组解算出该位置与姿态下水下机械手各个关节角θ₁、θ₂、θ₃…θ_i的角度

步骤6：建立多自由度水下机械手关节运动轨迹函数方程：根据求得的多自由度水下机械手末端执行机构空间位置和关节摆动角度关系θ_if(i＝1,2,K)，以及多自由度水下机械手起始各关节角度θ_io(i＝1,2,K)，采用五次多项式插值法，建立机械手某关节转角的轨迹函数为：

θ(t)＝a₀+a₁t+a₂t²+a₃t³+a₄t⁴+a₅t⁵

其中，该函数的多项式系数必须满足6个约束条件：

通过6个待定系数的求解得出该关节轨迹规划函数，分别对多自由度水下机械手所有关节按上述方法关节轨迹规划，即可完成多自由度水下机械手的关节空间轨迹规划，由上述步骤可以规划出船舶螺旋桨水下清洗装置清洗桨叶时末端执行机构的运动轨迹，在规划出的路径曲线上取一百个点作为机械手的末端位置点，相邻两点之间再插入一百个点，这一百个点分别既为起始点，又为终止点，每相邻两点使用五次多项式进行点到点的插补计算，按照这种方法，计算出各关节点的轨迹规划，机械手控制器按照计算得出的关节空间轨迹规划控制机械手运动，进而实现对待清洗螺旋桨桨叶面的完整清洗。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：本装置通过夹持定位卡爪机构夹持桨轴定位水下清洗装置与待清洗螺旋桨叶面的相对位置，消除清洗过程中海水内的各种不确定干扰，以方便清洗装置的后续作业；控制系统硬件机构可根据扫描识别的桨叶轮廓自动规划相应的机械手清洗路径，控制机械手带动空化清洗枪按照规划路径运动，实现高效的螺旋桨水下清洗作业；同时，本装置可以快捷自动地定位清洗装置的夹持位置，并在清洗前规划好最优的清洗路径，从而进一步提高清洗效率以及整个清洗过程的自动化、智能化程度。

附图说明

图1是本发明的螺旋桨正面清洗图；

图2是本发明的水下清洗装置轴测图；

图3是本发明的水下清洗装置后视图；

图4是本发明的夹持定位卡爪结构的正视图；

图5是本发明的夹持定位卡爪结构的侧视图；

图6是本发明的夹持定位卡爪结构的仰视图；

图7是本发明清洗模块结构示意图；

图8是本发明夹持定位卡爪机构固定臂工作示意图；

图9是本发明夹持定位卡爪机构活动臂工作示意图；

图10是多自由度水下机械手坐标系建立示意图；

图11是中央控制系统的组成图；

图12是水下清洗方法的流程图。

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。

一种船舶螺旋桨水下清洗装置，如图1～9所示，包括倒T字型框架6、系统硬件机构4、以及分别与控制系统硬件机构4信号连接的夹持定位卡爪机构3、清洗模块移动机构、水平推进器组件、竖直推进器组件、测距传感器组件。

倒T字型框架6由竖直设置并叠置互连的前安装板52和后安装板20构成的整体与一水平安装板19上表面垂直固定构成倒T字型结构，夹持定位卡爪机构3安装于水平安装板19的底面上。

夹持定位卡爪机构3包括四个定位卡爪，分别为第一定位卡爪31、第二定位卡爪32、第三定位卡爪33、第四定位卡爪34，还包括支撑底板35、定位观测系统36，支撑底板35与水平安装板19的底面固定，四个定位卡爪间隔分为两组分别对称安装在支撑底板35的底面上，定位观测系统36在四个定位卡爪的中部安装于支撑底板35的底面上。定位观测系统36包括定位观测水下灯和定位观测水下摄像头。每组定位卡爪的安装位置不在同一直线，两者之间有一个卡爪宽度的距离差，保证了每组定位卡爪的收缩范围相比于同一直线安装位置时的收缩范围更大，增大夹持桨轴的可适用范围。

定位卡爪包括卡爪驱动电机315、第一固定座313、第二固定座314、固定臂37、联轴器312、活动大臂38、活动大臂连接轴316、第一电动推杆310、活动小臂39、活动小臂39连接轴317、第二电动推杆311、压力传感器318，第一固定座313与第二固定座314相对间隔固定于支撑底板35上，卡爪驱动电机315安装于支撑底板35上，固定臂37的一端在第一固定座313与第二固定座314之间通过联轴器312与卡爪驱动电机315连接，活动大臂38一端通过活动大臂连接轴316与固定臂37的另一端铰接，两臂之间安装有第一电动推杆310作为活动大臂38转动的动力源，活动小臂39一端通过活动小臂39连接轴317与活动大臂38另一端铰接，两臂之间安装第二电动推杆311作为活动小臂39转动的动力源，活动大臂38和活动小臂39的定位块上均安装有一个压力传感器318。通过压力传感器318对夹持桨轴表面的压力反馈，确保夹持定位卡爪机构3对待清洗螺旋桨1桨轴的可靠定位。

清洗模块移动机构安装于前安装板52的板面上，清洗模块移动机构包括竖直移动机构5、水平移动机构7、三维激光扫描仪16、空化射流枪21、多自由度水下机械手18、清洗观察系统17，竖直移动机构5竖直安装于前安装板52上，竖直移动机构5包括竖直方向驱动电机51、滑轨一、滚珠丝杠一，滑轨一在前安装板52上竖直平行间隔设有两根，竖直方向驱动电机51、滚珠丝杠一分别在两者之间安装于前安装板52上，竖直方向驱动电机51与滚珠丝杠一连接；水平移动机构7安装于竖直移动机构5上，水平移动机构7包括L型底板、水平方向驱动电机71、滑轨二、滚珠丝杠二、部件集成安装板，所述L型底板的竖直面架设安装于两个滑轨一上并与滚珠丝杠一连接，滑轨二在L型底板的水平内侧面上平行间隔设有两根，水平方向驱动电机71、滚珠丝杠二分别在两者之间安装于L型底板水平内侧面上，水平方向驱动电机71与滚珠丝杠二连接，部件集成安装板架设安装于两个滑轨二上并与所述滚珠丝杠二连接，空化射流枪21通过多自由度水下机械手18安装于部件集成安装板上，空化射流枪21、多自由度水下机械手18均为现有技术部件，三维激光扫描仪16在空化射流枪21的一侧安装于部件集成安装板上，清洗观察系统17间隔设置于三维激光扫描仪16的前部并位于其下方，清洗观察系统17包括清洗观察机构安装板171，清洗观察机构安装板171安装于部件集成安装板上，其内水平间隔固定有用于实施观察螺旋桨表面清洗效果的清洗观察水下灯172和清洗观察水下摄像头173。三维激光扫描仪16用于待清洗螺旋桨1桨叶轮廓扫面，多自由度水下机械手18带动空化射流枪21按照规划路径运动。

控制系统硬件机构4安装于后安装板20的板面上，水平推进器组件围绕所述前安装板52和后安装板20构成的整体水平设置，水平推进器组件包括四个水平推进器，分别为第一水平推进器8、第二水平推进器9、第三水平推进器10、第四水平推进器11，还包括推进器安装座91，第一水平推进器8、第二水平推进器9分别通过一个推进器安装座91水平间隔安装于前安装板52上，清洗模块移动机构位于两者之间，第三水平推进器10和第四水平推进器11分别水平间隔安装于控制系统硬件机构4的硬件机构框架的相对两侧并分别与其连接。竖直推进器组件安装于后安装板20的上部，竖直推进器组件包括第一竖直推进器12、第二竖直推进器13，第一竖直推进器12与第二竖直推进器13水平间隔安装于后安装板20上，控制系统硬件机构4位于两者之间。测距传感器组件在前安装板52的前部安装于水平安装板19的上表面，测距传感器组件包括第一水下超声波测距传感器14、第二水下超声波测距传感器15，第一水下超声波测距传感器14、第二水下超声波测距传感器15分别安装于水平安装板19前端的两个顶角处。

控制系统由上位机100和下位机200组成，上位机100、下位机200之间通过建立局域网完成通讯。上位机100由工业一体机、24V开关电源、遥控手柄等组成，主要用于监控水下机器人运行状态及发送指令给下位机200，控制水下机器人的运动，同时，上位机100为下位机200提供220V电压和24V电压；下位机200由微处理器、供电系统和监测监控传感器组成，微处理器外接数据采集卡，用于发送与接收数字量信号与模拟量信号，供电系统中包括市电、24V开关电源、12V开关电源以及各电源转换模块，为清洗装置电子舱41中的各控制器以及驱动器供电。监测监控传感器负责监测本体故障、清洗过程、清洗质量以及夹紧定位过程中各状态量的监测。

控制系统硬件结构4包括电子舱41、电力舱42和机械手控制舱43，上述控制系统中提及的下位机200分布于控制系统硬件结构4中，其中，下位机200的微处理器和监测监控传感器位于电子舱41中，供电系统位于电力舱42中。

电力舱中供电系统给船舶螺旋桨水下清洗装置的所有设备提供所需供电电压，机械手控制舱43中设有多自由度机械手控制器。电子舱41中微处理器包括推进器系统控制器、二自由度机构控制器、定位机构控制器和辅助设备控制器，电子舱41内包含用于桨轴定位、桨叶轮廓扫描识别和清洗路径规划的集成控制系统；船舶螺旋桨水下清洗装置的清洗模块、夹持定位卡爪机构、推进器运动装置均通过清洗装置电子舱41与上位机100相连接，操作人员通过上位机100完成对船舶螺旋桨水下清洗装置的运动监测与指令传输，最终实现对螺旋桨桨叶的完整清洗作业。

一种上述的船舶螺旋桨清洗装置的清洗方法，如图10～12所示，包括以下步骤：

步骤一：吊放船舶螺旋桨水下清洗装置2；

将船舶螺旋桨水下清洗装置22通过船舶甲板或岸边的吊机投放入待清洗螺旋桨1所在区域海水中，操作人员在船上或岸边通过水上操控台对船舶螺旋桨水下清洗装置2进行监控，通过网络通讯将水下拍摄到的画面反馈在水上操控台的观测界面上；

步骤二：定位夹持；

水上操作人员根据采集回来的图像画面，控制船舶螺旋桨水下清洗装置2上的水平推进器组件、竖直推进器组件配合配合运动，将船舶螺旋桨水下清洗装置2移动到待清洗螺旋桨桨轴的上方区域；利用第一水下超声波测距传感器、第二水下超声波测距传感器采集回来的数据反馈对船舶螺旋桨水下清洗装置2的位置进行微调，使其处于螺旋桨桨轴的正上方区域位置，此时操作人员向下位机发送张开卡爪的命令，下位机在接到命令后，控制定位卡爪张开至最大展开量；向下位机发送继续下潜的命令，使船舶螺旋桨水下清洗装置2落在桨轴上，向下位机发送收缩定位卡爪的命令，控制第一电动推杆、第二电动推杆反向运动，完成抱轴夹紧的动作；本步骤采用螺旋桨桨轴夹持定位控制方法实现船舶螺旋桨水下清洗装置2在待清洗螺旋桨1桨轴上的定位夹持；

本步骤涉及的船舶螺旋桨水下清洗装置2的定位夹持方法具体包括以下步骤：

第一步：通过定位观测系统中的定位观测水下灯和定位观测水下摄像头，采集得到船舶螺旋桨水下清洗装置2底部的实时图像信息，并把图像信号传送回计算机控制系统，在观测界面上显示出来；

第二步：水上操作人员根据采集回来的图像画面，控制水平推进器组件、竖直推进器组件配合运动，将船舶螺旋桨水下清洗装置2移动到待清洗螺旋桨桨轴的上方区域；具体为上位机根据操作人员的指令发送信号给下位机，下位机在接收到信号后，发送数字量信号给对应的推进器控制器，进而实现对船舶螺旋桨水下清洗装置2各推进器的控制；

第三步：根据支撑底板安装的定位观测系统中两侧的第一水下超声波测距传感器和第二水下超声波测距传感器采集回来的数据反馈对船舶螺旋桨水下清洗装置2的位置进行水平径向微调，使其处于螺旋桨桨轴的正上方区域位置，此时操作人员向下位机发送张开卡爪的命令，控制卡爪驱动电机与各臂间的第一电动推杆和第二电动推杆运动，打开夹持定位卡爪至最大展开量；

第四步：向下位机发送继续下潜的命令，控制竖直方向推进器运动，令船舶螺旋桨水下清洗装置2继续下移至桨轴正上方，通过超声波传感器返回的各距离值调整船舶螺旋桨水下清洗装置2的水中姿态；

第五步：向下位机发送收缩卡爪的命令，控制第一电动推杆和第二电动推杆反向运动，定位卡爪前端的夹持块上压力传感器采集得到压力数据P，当P满足Pmin＜P＜Pmax时，所有第一电动推杆和第二电动推杆停止工作，其中Pmin表示夹紧桨轴的最小挤压力，Pmax表示夹紧桨轴的最大挤压力，从而完成船舶螺旋桨水下清洗装置2对螺旋桨桨轴的定位夹持；

步骤三：桨叶轮廓识别；

待船舶螺旋桨水下清洗装置2完成对于桨叶的相对固定后，控制清洗模块移动机构的水平移动机构与竖直移动机构运动，采用螺旋桨桨叶整体轮廓的扫描识别方法获得待清洗螺旋桨1桨叶单面的模型轮廓；

本步骤涉及的螺旋桨桨叶整体轮廓的扫描识别方法包括以下步骤：

第1步：根据三维激光扫描仪的扫描范围，在由水平移动机构与竖直移动机构带动三维激光扫描仪运动所构成的X₀OY₀平面内设置相应的螺旋桨桨叶扫描站点，确保每两站扫描的点云数据之间的重叠部分在10％-20％之间；

第2步：控制三维激光扫描仪依次到达所设定的站点，每到达一个站点，水平方向驱动电机停止工作，三维激光扫描仪开始工作，设定三维激光扫描仪中心为坐标原点，建立空间直角坐标系，X₁、Y₁为平面，Z₁为垂直方向，Q为坐标点到监测点的距离，α为扫描仪测量到的水平角，θ为扫描仪测量到的竖直角，求得待清洗螺旋桨1目标点M相对于坐标原点的空间坐标，计算公式如下：

完成该站点扫描工作后，继续控制导轨运动前往下一个站点进行扫描，重复上述过程直至完成对整片桨叶的扫描工作；

第3步：对相邻两组站点中的一组点云数据进行坐标转换，得到相邻坐标系下该组数据的点云坐标，进而实现相邻两组站点的点云数据拼接，变换后的拼接点云坐标为:

其中，(X_b、Y_b、Z_b)为转换后的坐标，

(X_a、Y_a、Z_a)为未转换的坐标，

(X_T、Y_T、Z_T)是三个平移参数，

R是两个坐标之间的旋转矩阵。

以此类推，最终生成同一坐标系下的点云数据；

第4步：对点云数据进行杂点处理、噪声去除、冗余点处理、点云数量优化，将处理好的运输局导出成相应格式文件；

第5步：将点云数据文件导进相应建模软件，点云数据变成可编辑多边形网格模型，以三角网格的形式铺满整个模型表面，创建成完整光滑面片模型，模型完成后再进行相应修补，最终得到待清洗螺旋桨1桨叶面的模型轮廓，并回传给计算机控制系统；

步骤四：桨叶正面循环清洗；

根据所获得的待清洗螺旋桨1单面轮廓模型，采用多自由度水下机械手路径规划与控制方法由计算机操控多自由度水下机械手带动前端夹持的空化射流枪按规划路径进行清洗作业，同时，操作人员通过清洗单元上的清洗观察机构实时观察桨叶的清洗效果；

待完成单片桨叶的单面清洗作业后，多自由度水下机械手复位，夹持定位卡爪机构松开，控制水平方向推进器组件运动，使得船舶螺旋桨水下清洗装置2绕桨轴旋转至下一片桨叶，重复步骤四，进而完成待清洗螺旋桨1整体的单面清洗；

本步骤涉及的船舶螺旋桨水下清洗装置2的机械手路径规划与控制方法包括以下步骤：

步骤1：在清洗模块移动机构内，以多自由度水下机械手机座相对水平移动机构和竖直移动机构的初始位置建立固定参考坐标系，表示为{0}；

步骤2：建立多自由度水下机械手连杆关节的坐标系{i}，设定多自由度水下机械手的关节i-1和i两轴线的公垂线同i轴线的交点为连杆坐标系{i}原点，关节i轴线为{i}的Z_i轴，关节i和i+1轴线的公共法线为{i}的X_i轴，右手定则确定{i}的Y_i轴，至此完成连杆坐标系{i}的定义，同理，依次定义坐标系{i-1}和{i+1}，末端执行器的坐标系为{n}；

步骤3：获取多自由度水下机械手末端执行器相对固定参考坐标系{0}的位姿表示公式：根据上述桨叶轮廓扫描方法得出待清洗桨叶面的模型轮廓，以及定位卡爪机构夹持桨轴的控制方法得到的船舶螺旋桨水下清洗装置2与待清洗螺旋桨1相对固定位置，再结合空化射流枪的有效清洗范围，由控制计算机综合三者数据信息得到多自由度水下机械手清洗完整桨叶面的末端执行机构相对于参考坐标系{0}的期望位姿，表示为：

式中：n，o，a为机械手在三维空间中的方位角所确定的空间向量；P为末端执行机构的位置坐标；r₁₁-r₃₃表示各个旋转角；

步骤4：设定各关节坐标系之间的坐标变换矩阵：根据步骤2建立的坐标系，通过4×4齐次变换矩阵建立多自由度水下机械手相邻两连杆间的空间关系，坐标变换关系矩阵为：

其中，a_i为相邻关节间的连杆长度、α_i为连杆扭角、d_i为连杆距离、θ_i为连杆夹角。

步骤5：求取多自由度水下机械手各关节转动角，根据步骤4得到相邻两个坐标系的位姿关系矩阵：

可知机械手末端执行器的位置坐标用参考坐标系{0}表示为：

并与步骤3公式连列方程组为：

计算机根据代数逆解方程组解算出该位置与姿态下水下机械手18各个关节角θ₁、θ₂、θ₃…θ_i的角度

步骤6：建立多自由度水下机械手关节运动轨迹函数方程：根据求得的多自由度水下机械手末端执行机构空间位置和关节摆动角度关系θ_if(i＝1,2,K)，以及多自由度水下机械手起始各关节角度θ_io(i＝1,2,K)，采用五次多项式插值法，建立机械手某关节转角的轨迹函数为：

θ(t)＝a₀+a₁t+a₂t²+a₃t³+a₄t⁴+a₅t⁵

其中，该函数的多项式系数必须满足6个约束条件：

通过6个待定系数的求解得出该关节轨迹规划函数，分别对多自由度水下机械手所有关节按上述方法关节轨迹规划，即可完成多自由度水下机械手的关节空间轨迹规划。由上述步骤可以规划出船舶螺旋桨水下清洗装置2清洗桨叶时末端执行机构的运动轨迹，在规划出的路径曲线上取一百个点作为机械手的末端位置点，相邻两点之间再插入一百个点，这一百个点分别既为起始点，又为终止点，每相邻两点使用五次多项式进行点到点的插补计算，按照这种方法，计算出各关节点的轨迹规划，机械手控制器按照计算得出的关节空间轨迹规划控制机械手运动，进而实现对待清洗螺旋桨1桨叶面的完整清洗。

步骤五：桨叶背面清洗；

重复步骤二至四，船舶螺旋桨水下清洗装置2通过夹持螺旋桨桨轴前端的桨帽实现对待清洗螺旋桨1另一面的完整清洗，进而完成对待清洗螺旋桨1的整体清洗；

步骤六：清洗装置回收；

船舶螺旋桨水下清洗装置2松开夹持定位卡爪机构并缩回，吊机通过缆绳将船舶螺旋桨水下清洗装置2回收回船上或岸上，完成一个清洗作业周期。

本装置的控制涉及多个子控制方案，包括以下内容：

推进系统的控制方案为：当操作人员操控操作手柄，以向左为例，上下位机之间建立局域网通讯，上位机发送向左的指令给下位机微处理器，下位机在接收到上位机发送的信号后，ATR2010数据采集卡对应的端口发送开关量‘0’和‘1’给推进器驱动器，同时，ART2004数据采集卡在对应的端口发送模拟量信号给推进器控制器，模拟量信号经过A-PWM模块后输入到推进器驱动器对应端口，进而由推进器驱动器驱动推进器的电机转动。

二自由度机构系统的控制方案为：以机构水平向左为例，上位机发送向左的指令给下位机微处理器。下位机在接收到上位机发送的指令后，ATR2010数据采集卡在对应的端口发送开关量‘0’和‘1’，开关量信号经过双路继电器，由双路继电器控制步进电机控制器信号的传输，步进电机控制器将脉冲信号发送给步进电机驱动器，由步进电机驱动器驱动电机，进而由电机转动带动滚珠丝杠的运动，实现清洗模块在XY轴上的移动。

空化射流机械手的控制方案为：以机械手俯仰为例，上位机发送俯仰指令给下位机，下位机在接收到上位机发送的指令后，由下位机发送串口信号给USB-RS485转换器，RS485再将差分信号发送给机械手控制器，最后由控制器控制关节水下伺服电缸的运动。

定位机构的控制方案：以夹紧为例，上位机发送夹紧指令给下位机，下位机在接收到指令后，由数据采集卡ART2010发送数字量信号给双路继电器，数字量信号经过双路继电器后，由继电器输出端输出数字量信号给电动推杆，实现电动推杆的收缩，进而完成夹紧的动作。

视觉照明系统的控制方案为：以照明系统为例，上位机发送指令给下位机，下位机在接收到指令后，由数据采集卡ART2010发送数字量信号给单路继电器，当信号为高电平时，单路继电器常开端闭合，线路导通，照明灯得以供电，此时照明系统正常工作。

Claims (10)

1.一种船舶螺旋桨水下清洗装置，其特征在于：包括倒T字型框架、控制系统硬件机构、以及分别与所述控制系统硬件机构信号连接的夹持定位卡爪机构、清洗模块移动机构、水平推进器组件、竖直推进器组件、测距传感器组件，所述倒T字型框架由竖直设置并叠置互连的前安装板和后安装板构成的整体与一水平安装板上表面垂直固定构成倒T字型结构，所述夹持定位卡爪机构安装于所述水平安装板的底面上，所述清洗模块移动机构安装于所述前安装板的板面上，所述控制系统硬件机构安装于所述后安装板的板面上，所述水平推进器组件围绕所述前安装板和后安装板构成的整体水平设置，所述前安装板、所述控制系统硬件机构分别与所述水平推进器组件连接，所述竖直推进器组件安装于所述后安装板的上部，所述测距传感器组件在所述前安装板的前部安装于所述水平安装板的上表面。

2.根据权利要求1所述的一种船舶螺旋桨水下清洗装置，其特征在于：所述夹持定位卡爪机构包括四个定位卡爪，分别为第一定位卡爪、第二定位卡爪、第三定位卡爪、第四定位卡爪，还包括支撑底板、定位观测系统，所述支撑底板与所述水平安装板的底面固定，四个所述定位卡爪间隔分为两组分别对称安装在所述支撑底板的底面上，所述定位观测系统在四个所述定位卡爪的中部安装于所述支撑底板的底面上。

3.根据权利要求2所述的一种船舶螺旋桨水下清洗装置，其特征在于：所述定位卡爪包括卡爪驱动电机、第一固定座、第二固定座、固定臂、联轴器、活动大臂、活动大臂连接轴、第一电动推杆、活动小臂、活动小臂连接轴、第二电动推杆、压力传感器，所述第一固定座与所述第二固定座相对间隔固定于所述支撑底板上，所述卡爪驱动电机安装于所述支撑底板上，所述固定臂的一端在所述第一固定座与所述第二固定座之间通过所述联轴器与所述卡爪驱动电机连接，所述活动大臂一端通过所述活动大臂连接轴与所述固定臂的另一端铰接，两臂之间安装有所述第一电动推杆作为活动大臂转动的动力源，所述活动小臂一端通过所述活动小臂连接轴与所述活动大臂另一端铰接，两臂之间安装所述第二电动推杆作为活动小臂转动的动力源，所述活动大臂和所述活动小臂的定位块上均安装有一个所述压力传感器。

4.根据权利要求1所述的一种船舶螺旋桨水下清洗装置，其特征在于：所述清洗模块移动机构包括竖直移动机构、水平移动机构、三维激光扫描仪、空化射流枪、多自由度水下机械手、清洗观察系统，所述竖直移动机构竖直安装于所述前安装板上，所述水平移动机构安装于所述竖直移动机构上，所述空化射流枪通过所述多自由度水下机械手安装于所述水平移动机构上，所述三维激光扫描仪在所述空化射流枪的一侧安装于所述水平移动机构上，所述清洗观察系统间隔设置于所述三维激光扫描仪的前部并位于其下方，所述清洗观察系统包括清洗观察机构安装板，所述清洗观察机构安装板安装于所述水平移动机构上，其内水平间隔固定有用于实施观察螺旋桨表面清洗效果的清洗观察水下灯和清洗观察水下摄像头。

5.根据权利要求4所述的一种船舶螺旋桨水下清洗装置，其特征在于：所述竖直移动机构包括竖直方向驱动电机、滑轨一、滚珠丝杠一，所述滑轨一在所述前安装板上竖直平行间隔设有两根，所述竖直方向驱动电机、所述滚珠丝杠一分别在两者之间安装于所述前安装板上，所述竖直方向驱动电机与所述滚珠丝杠一连接；所述水平移动机构包括L型底板、水平方向驱动电机、滑轨二、滚珠丝杠二、部件集成安装板，所述L型底板的竖直面架设安装于两个所述滑轨一上并与所述滚珠丝杠一连接，所述滑轨二在所述L型底板的水平内侧面上平行间隔设有两根，所述水平方向驱动电机、所述滚珠丝杠二分别在两者之间安装于所述L型底板水平内侧面上，所述水平方向驱动电机与所述滚珠丝杠二连接，所述部件集成安装板架设安装于两个所述滑轨二上并与所述滚珠丝杠二连接，所述三维激光扫描仪、所述空化射流枪、所述多自由度水下机械手、所述清洗观察系统分别安装于所述部件集成安装板上。

6.根据权利要求1所述的一种船舶螺旋桨水下清洗装置，其特征在于：所述控制系统硬件结构包括电子舱、电力舱和机械手控制舱，从上至下依次布置。

7.根据权利要求1所述的一种船舶螺旋桨水下清洗装置，其特征在于：所述水平推进器组件包括四个水平推进器，分别为第一水平推进器、第二水平推进器、第三水平推进器、第四水平推进器，还包括推进器安装座，所述第一水平推进器、所述第二水平推进器分别通过一个所述推进器安装座水平间隔安装于所述前安装板上，所述清洗模块移动机构位于两者之间，所述第三水平推进器和所述第四水平推进器分别水平间隔安装于所述控制系统硬件机构的相对两侧；所述竖直推进器组件包括第一竖直推进器、第二竖直推进器，所述第一竖直推进器与所述第二竖直推进器水平间隔安装于所述后安装板上，所述控制系统硬件机构位于两者之间。

8.根据权利要求1所述的一种船舶螺旋桨水下清洗装置，其特征在于：所述测距传感器组件包括第一水下超声波测距传感器、第二水下超声波测距传感器，所述第一水下超声波测距传感器、所述第二水下超声波测距传感器分别安装于所述水平安装板前端的两个顶角处。

9.一种权利要求1～8任一所述的船舶螺旋桨清洗装置的清洗方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：吊放船舶螺旋桨水下清洗装置；

将船舶螺旋桨水下清洗装置通过船舶甲板或岸边的吊机投放入待清洗螺旋桨所在区域海水中，操作人员在船上或岸边通过水上操控台对水下清洗装置进行监控，通过网络通讯将水下拍摄到的画面反馈在水上操控台的观测界面上；

步骤二：定位夹持；

水上操作人员根据采集回来的图像画面，控制船舶螺旋桨水下清洗装置上的水平推进器组件、竖直推进器组件配合运动，将船舶螺旋桨水下清洗装置移动到待清洗螺旋桨桨轴的上方区域；利用测距传感器组件采集回来的数据反馈对船舶螺旋桨水下清洗装置的位置进行微调，使其处于螺旋桨桨轴的正上方区域位置，此时操作人员向控制系统硬件机构发送张开夹持定位卡爪机构的命令，控制夹持定位卡爪机构张开至最大展开量；向控制系统硬件机构发送继续下潜的命令，使船舶螺旋桨水下清洗装置落在桨轴上，向控制系统硬件机构发送收缩夹持定位卡爪机构的命令，完成抱轴夹紧的动作；

步骤三：桨叶轮廓识别；

待船舶螺旋桨水下清洗装置完成对于桨叶的相对固定后，控制清洗模块移动机构运动，采用螺旋桨桨叶整体轮廓的扫描识别方法获得待清洗螺旋桨桨叶单面的模型轮廓；

步骤四：桨叶正面循环清洗；

根据所获得的待清洗螺旋桨单面轮廓模型，采用多自由度水下机械手路径规划与控制方法由计算机操控带动清洗模块移动机构按规划路径进行清洗作业，同时，操作人员实时观察桨叶的清洗效果；

待完成单片桨叶的单面清洗作业后，清洗模块移动机构复位，夹持定位卡爪机构松开，控制水平方向推进器组件运动，使得船舶螺旋桨水下清洗装置绕桨轴旋转至下一片桨叶，重复步骤四，进而完成待清洗螺旋桨整体的单面清洗；

步骤五：桨叶背面清洗；

重复步骤二至四，船舶螺旋桨水下清洗装置通过夹持螺旋桨桨轴前端的桨帽实现对待清洗螺旋桨另一面的完整清洗，进而完成对待清洗螺旋桨的整体清洗；

步骤六：清洗装置回收；

船舶螺旋桨水下清洗装置松开夹持定位卡爪机构并缩回，吊机通过缆绳将船舶螺旋桨水下清洗装置回收回船上或岸上，完成一个清洗作业周期。

10.根据权利要求9所述一种船舶螺旋桨清洗装置的清洗方法，其特征在于：

在步骤二中，所述定位夹持包括以下步骤：

第一步：通过夹持定位卡爪机构的定位观测系统上的定位观测水下灯和定位观测水下摄像头，采集得到船舶螺旋桨水下清洗装置底部的实时图像信息，并把图像信号传送回计算机控制系统，在观测界面上显示出来；

第二步：水上操作人员根据采集回来的图像画面，控制水平推进器组件、竖直推进器组件配合配合运动，将船舶螺旋桨水下清洗装置移动到待清洗螺旋桨桨轴的上方区域；具体为上位机根据操作人员的指令发送信号给控制系统硬件机构，控制系统硬件机构在接收到信号后，发送数字量信号给对应的水平推进器组件或竖直推进器组件，进而实现对船舶螺旋桨水下清洗装置各推进器的控制；

第三步：根据测距传感器组件采集回来的数据反馈对船舶螺旋桨水下清洗装置的位置进行水平径向微调，使其处于螺旋桨桨轴的正上方区域位置，此时操作人员向下位机发送张开卡爪的命令，控制打开夹持定位卡爪机构至最大展开量；

第四步：向控制系统硬件机构发送继续下潜的命令，控制竖直推进器组件运动，令船舶螺旋桨水下清洗装置继续下移至桨轴正上方，通过测距传感器组件返回的各距离值调整船舶螺旋桨水下清洗装置的水中姿态；

第五步：向控制系统硬件机构发送收缩卡爪的命令，控制夹持定位卡爪机构反向运动，夹持定位卡爪机构的压力传感器采集得到压力数据P，当P满足Pmin＜P＜Pmax时，夹持定位卡爪机构上的所有第一电动推杆和第二电动推杆停止工作，其中Pmin表示夹紧桨轴的最小挤压力，Pmax表示夹紧桨轴的最大挤压力，从而完成船舶螺旋桨水下清洗装置对螺旋桨桨轴的定位夹持；

在步骤三中，所述螺旋桨桨叶整体轮廓的扫描识别方法包括以下步骤：

第1步：根据清洗模块移动机构上的三维激光扫描仪的扫描范围，再由清洗模块移动机构带动三维激光扫描仪运动所构成的X₀OY₀平面内设置相应的螺旋桨桨叶扫描站点，确保每两站扫描的点云数据之间的重叠部分在10％-20％之间；

第2步：控制三维激光扫描仪依次到达所设定的站点，每到达一个站点，水平移动机构停止工作，三维激光扫描仪开始工作，设定三维激光扫描仪中心为坐标原点，建立空间直角坐标系，X₁、Y₁为平面，Z₁为垂直方向，Q为坐标点到监测点的距离，α为扫描仪测量到的水平角，θ为扫描仪测量到的竖直角，求得待清洗螺旋桨目标点M相对于坐标原点的空间坐标，计算公式如下：

完成该站点扫描工作后，继续控制导轨运动前往下一个站点进行扫描，重复上述过程直至完成对整片桨叶的扫描工作；

第3步：对相邻两组站点中的一组点云数据进行坐标转换，得到相邻坐标系下该组数据的点云坐标，进而实现相邻两组站点的点云数据拼接，变换后的拼接点云坐标为:

其中，(X_b、Y_b、Z_b)为转换后的坐标，

(X_a、Y_a、Z_a)为未转换的坐标，

(X_T、Y_T、Z_T)是三个平移参数，

R是两个坐标之间的旋转矩阵。

以此类推，最终生成同一坐标系下的点云数据；

第4步：对点云数据进行杂点处理、噪声去除、冗余点处理、点云数量优化，将处理好的运输局导出成相应格式文件；

第5步：将点云数据文件导进相应建模软件，点云数据变成可编辑多边形网格模型，以三角网格的形式铺满整个模型表面，创建成完整光滑面片模型，模型完成后再进行相应修补，最终得到待清洗螺旋桨桨叶面的模型轮廓，并回传给计算机控制系统；

在步骤四中，所述多自由度水下机械手路径规划与控制方法包括以下步骤：

步骤1：在清洗模块移动机构内，以多自由度水下机械手机座相对水平移动机构和竖直移动机构的初始位置建立固定参考坐标系，表示为{0}；

步骤2：建立多自由度水下机械手连杆关节的坐标系{i}，设定多自由度水下机械手的关节i-1和i两轴线的公垂线同i轴线的交点为连杆坐标系{i}原点，关节i轴线为{i}的Z_i轴，关节i和i+1轴线的公共法线为{i}的X_i轴，右手定则确定{i}的Y_i轴，至此完成连杆坐标系{i}的定义，同理，依次定义坐标系{i-1}和{i+1}，末端执行器的坐标系为{n}；

步骤3：获取多自由度水下机械手末端执行器相对固定参考坐标系{0}的位姿表示公式：根据上述桨叶轮廓扫描方法得出待清洗桨叶面的模型轮廓，以及定位卡爪机构夹持桨轴的控制方法得到的船舶螺旋桨水下清洗装置与待清洗螺旋桨相对固定位置，再结合空化射流枪的有效清洗范围，由控制计算机综合三者数据信息得到多自由度水下机械手清洗完整桨叶面的末端执行机构相对于参考坐标系{0}的期望位姿，表示为：

式中：n，o，a为机械手在三维空间中的方位角所确定的空间向量；P为末端执行机构的位置坐标；r₁₁-r₃₃表示各个旋转角；

步骤4：设定各关节坐标系之间的坐标变换矩阵：根据步骤2建立的坐标系，通过4×4齐次变换矩阵建立水下机械手相邻两连杆间的空间关系，坐标变换关系矩阵为：

其中，a_i为相邻关节间的连杆长度、α_i为连杆扭角、d_i为连杆距离、θ_i为连杆夹角。

步骤5：求取多自由度水下机械手各关节转动角，根据步骤4得到相邻两个坐标系的位姿关系矩阵：

可知机械手末端执行器的位置坐标用参考坐标系{0}表示为：

并与步骤3公式连列方程组为：

计算机根据代数逆解方程组解算出该位置与姿态下水下机械手各个关节角θ₁、θ₂、θ₃…θ_i的角度

步骤6：建立多自由度水下机械手关节运动轨迹函数方程：根据求得的多自由度水下机械手末端执行机构空间位置和关节摆动角度关系θ_if(i＝1,2,K)，以及多自由度水下机械手起始各关节角度θ_io(i＝1,2,K)，采用五次多项式插值法，建立机械手某关节转角的轨迹函数为：

θ(t)＝a₀+a₁t+a₂t²+a₃t³+a₄t⁴+a₅t⁵

其中，该函数的多项式系数必须满足6个约束条件：

通过6个待定系数的求解得出该关节轨迹规划函数，分别对多自由度水下机械手所有关节按上述方法关节轨迹规划，即可完成多自由度水下机械手的关节空间轨迹规划，由上述步骤可以规划出船舶螺旋桨水下清洗装置清洗桨叶时末端执行机构的运动轨迹，在规划出的路径曲线上取一百个点作为机械手的末端位置点，相邻两点之间再插入一百个点，这一百个点分别既为起始点，又为终止点，每相邻两点使用五次多项式进行点到点的插补计算，按照这种方法，计算出各关节点的轨迹规划，机械手控制器按照计算得出的关节空间轨迹规划控制机械手运动，进而实现对待清洗螺旋桨桨叶面的完整清洗。

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