CN112659122A

CN112659122A - 螺旋桨清洗路径规划方法及使用该方法的清洗机器人

Info

Publication number: CN112659122A
Application number: CN202011452249.8A
Authority: CN
Inventors: 张建; 张湖宾; 陈晨; 郭胜; 唐文献; 张思; 齐继阳; 陈赟
Original assignee: Zhenjiang Yucheng Intelligent Equipment Technology Co ltd; Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Zhenjiang Yucheng Intelligent Equipment Technology Co ltd; Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2040-12-10
Also published as: CN112659122B; WO2022121201A1

Abstract

本发明公开了一种螺旋桨清洗路径规划方法，所述清洗路径规划方法用于清洗机器人，包括步骤一：建立坐标系；步骤二：获取螺旋桨形状尺寸参数方程；步骤三：求解坐标系变换矩阵；步骤四：分割待清洗面重叠区域；步骤五：分割待清洗面未重叠区域；步骤六：求解X^SO^SY^S内清洗轨迹；步骤七：求解{S}内清洗轨迹；步骤八：在{T}内控制水下机器人运动；并公开了使用该方法进行螺旋桨清洗作业的清洗机器人。本发明解决了螺旋桨复杂曲面和重叠区域清洗困难等难题，保证了清洗质量，提高了清洗效率；采用坐标变换方式求解水下机器人控制轨迹方程，只需对桨叶做一次清洗路径规划，即可适用于其余桨叶的清洗，减少了计算量，降低了控制难度。对清洁机器人的适用度高。

Description

螺旋桨清洗路径规划方法及使用该方法的清洗机器人

技术领域

本发明涉及船舶螺旋桨清洗技术领域，尤其是涉及螺旋桨清洗路径规划方法及使用该方法的清洗机器人。

背景技术

船舶螺旋桨因其具有良好的水动力性能、高效的推进效率，一直是船舶推进器的首选。但海水中的海洋生物会对螺旋桨表面造成严重的吸附与侵蚀，增加船舶燃料消耗并且缩短桨叶工作寿命，造成巨大的经济损失。因此，定期对船舶螺旋桨进行清理十分必要，但是目前船舶螺旋桨水下清洗装置作业大都是量潜水员手持清洗装备进行清洗作业，清洗效率低，人力成本高。部分水下清洗机器人也因为螺旋桨表面是一个形状不规则且复杂空间曲面而不能有效的对螺旋桨表面进行清洗。

专利CN106647751A中所述的一种船舶水下清洗机器人路径控制和定位装置，通过对清洗装置的移动距离进行检测和定位、角度电位计对滚轮的角度进行检测，保证清洗装置能够按照规划路径进行移动。但该专利对有重叠面的装备缺乏有效的路径规划，无法保证清洗效果。专利CN107918396A中所述的一种基于船体模型的水下清洗机器人路径规划方法及系统，通过对船体模型进行分区路径规划，然后优化连接，最后根据路径跟踪误差进行校正，从而优化清洗轨迹。但是该专利是针对船体模型的，针对船用螺旋桨的复杂曲线的清洗缺乏有效控制，并且清洗时间长，极为耗费。

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螺旋桨清洗路径规划方法，适用于船用螺旋桨的复杂曲线，通过合理的路径规划提高清洗效率和清洁效果，并提供了使用该方法进行螺旋桨清洗的机器人。

技术方案：一种螺旋桨清洗路径规划方法，所述清洗路径规划方法用于清洗机器人，所述清洗路径规划方法包括以下步骤：

步骤一：建立坐标系，以螺旋桨的加工坐标系作为固定坐标系{S}＝(O^S,X^S,Y^S,Z^S)，Z^S方向与桨轴轴心线重合，以清洗机器人夹持中心线为Z^T方向，建立清洗机器人坐标系为{T}＝(O^T,X^T,Y^T,Z^T)；

步骤二：获取螺旋桨尺寸参数方程，根据螺旋桨加工数据得到螺旋桨待清洗面在固定坐标系{S}中的曲面方程F^S(x,y,z)和轮廓线方程L^S(x,y,z)；

步骤三：求解坐标系变换矩阵，通过清洗机器人检测固定坐标系{S}的X^S方向标定点位置，得到{T}相对于{S}绕Z^S轴的偏转角γ，同时检测螺旋桨的桨毂端面基准，得出{T}相对于{S}在Z^S方向的偏移值Δz，由偏转角γ和偏移值Δz得出{T}相对于{S}的变换矩阵

步骤四：分割待清洗面重叠区域，在固定坐标系{S}中，将螺旋桨待清洗面轮廓线方程L^S(x,y,z)投影在X^SO^SY^S平面内，得到方程

另一相螺旋桨待清洗面轮廓线投影方程为

由

和

求解重叠区域特征点F位置，

和

与桨轴交点分别为E和D，连接EF，作EF平行线L1与曲线段DF相切，L1与轮毂交点为M，连接ME，过F点做ME平行线L2，L2与L1交点为N，四边形MEFN覆盖的区域定为重叠区域清洗范围，以B/2为间距，做MN平行线，交桨毂轮廓线和NF于J₁和J₂点，延长J₁J₂至J₃点，向X^S负方向依次间隔做j条J₁J₃的平行线，直至清洗范围覆盖完重叠区域；

步骤五：找到

上距离原点最远点，并计算其与原点距离为R，在X^SO^SY^S平面内，以O^S为原点，以R为半径，建立螺旋桨待清洗面包络圆C₀，以O^S为原点，以R-iB为半径，建立待清洗面分割圆C_i，分割圆C_i与待清洗面轮廓线左右交点分别为U_Li和U_Ri，分割圆C_i和C_i-1形成的圆环为第i个清洗带；

步骤六：求解X^SO^SY^S内清洗轨迹，在固定坐标系{S}的X^SO^SY^S平面内，建立第i个清洗带的清洗轨迹环P_i，P_i方程为x²+y²＝(R-(i-0.5)*B)²，未重叠区域每个清洗带的清洗轨迹曲线方程为

重叠区域的清洗轨迹的曲线方程为

步骤七：求解{S}内清洗轨迹，在{S}将

和

的Z^S坐标值取任意值，得到一系列曲面，将得到的曲面分别与螺旋桨待清洗面曲面方程F^S(x,y,z)求相交线，得到X^SO^SY^S平面内的清洗轨迹在螺旋桨待清洗面上的投影曲线，未重叠区域和重叠区域的清洗轨迹方程分别为

和

将清洗轨迹沿Z^S负方向平移h，得到清洗枪运动轨迹方程为

和

步骤八：在{T}内控制清洗机器人运动，将固定坐标系{S}中规划的清洗路径，转换到清洗机器人坐标系{T}中，未重叠区域和重叠区域清洗轨迹方程分别为

根据{T}中的清洗轨迹方程，控制清洗机器人运动，带动清洗枪清洗单片桨叶，完成后，清洗机器人绕桨轴转动角度

继续按照{T}中的清洗轨迹方程清洗下一个桨叶，直至清洗完所有桨叶。

进一步的，在步骤一中，清洗机器人夹持固定在螺旋桨桨轴上，Z^S与Z^T方向重合。

进一步的，在步骤四中，B为清洗枪有效清洗宽度，j＝1,2,3...。

进一步的，在步骤四中，J₁J_2延长至至J₃点的延长距离为B，与J₁J₃的平行的相邻两条平行线的间距为B/2。

进一步的，在步骤五中，设n为≤(R-R₀)/B的最大整数，R₀为桨毂半径；当n为整数时，i＝1,2,3...n，当n不为整数时，i＝1,2,3...n,n+1，当i取到n+1时，(R-R₀)/B不为整数，以R₀+B为半径建立待清洗面分割圆C_n+1，分割圆C_n+1与桨毂轮廓线形成第n+1个清洗带，全面覆盖桨叶根部剩余区域。

进一步的，在步骤六中，若存在P_n+1，则P_n+1方程为x²+y²＝(R₀+0.5*B)²。

进一步的，在步骤六中，清洗轨迹环P_i与清洗带左右两侧轮廓线交点分别为Q_Li和Q_Ri，以O^S为起点做两条射线，包络第i个清洗带左右两侧清洗轮廓，清洗轨迹环P_i与两条包络射线的交点分别为G_Li和G_Ri，G_LiG_Ri的曲线方程

为未重叠区域每个清洗带的清洗轨迹，J₁J₃和与J₁J₃平行的曲线方程

为重叠区域的清洗轨迹。

进一步的，在步骤八中，k为桨叶个数。

一种使用上述的螺旋桨清洗路径规划方法进行螺旋桨清洗作业的清洗机器人，包括清洗枪、活动臂、电机、夹持爪、滚轮，夹持爪相对设有两个，两者的一端通过连接块相互铰接构成一个整体，活动臂的一端与所述连接块连接，另一端与清洗枪连接，夹持爪内侧面上设有滚轮，滚轮与电机连接，电机安装在连接块上。

进一步的，夹持爪包括定位夹持卡爪一、定位夹持卡爪二，两者的一端相互铰接，所述定位夹持卡爪一另一端与所述连接块铰接，所述定位夹持卡爪一内侧面上设有滚轮。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：提出一种螺旋桨清洗路径规划方法，解决了螺旋桨复杂曲面和重叠区域清洗困难等难题，保证了清洗质量，提高了清洗效率；采用坐标变换方式求解水下机器人控制轨迹方程，只需对桨叶做一次清洗路径规划，即可适用于其余桨叶的清洗，减少了计算量，降低了控制难度。对清洁机器人的适用度高。

附图说明

图1为本发明坐标系建立的立体结构示意图；

图2为本发明坐标系建立的平面结构示意图；

图3为本发明分割待清洗面的结构示意图；

图4为本发明求解清洗轨迹的结构示意图；

图5为本发明螺旋桨清洗路径规划流程图；

图6为清洗机器人的结构示意图。

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。

一种螺旋桨清洗路径规划方法，该清洗路径规划方法用于清洗机器人，如图5所示，包括以下步骤：

步骤一：建立坐标系；

如图1、2所示，以螺旋桨1的加工坐标系作为固定坐标系{S}＝(O^S,X^S,Y^S,Z^S)，Z^S方向与桨轴轴心线重合，以清洗机器人2夹持中心线为Z^T方向，建立清洗机器人2坐标系为{T}＝(O^T,X^T,Y^T,Z^T)，清洗机器人2夹持固定在螺旋桨1桨轴上，Z^S与Z^T方向重合；

步骤二：获取螺旋桨形状尺寸参数方程；

由螺旋桨1加工数据可以得到螺旋桨1待清洗面4在固定坐标系{S}中的曲面方程F^S(x,y,z)和轮廓线方程L^S(x,y,z)；

步骤三：求解坐标系变换矩阵；

由于固定坐标系的X^S方向不确定，无法保证清洗机器人2坐标系的X^T方向与X^S方向重合，同时，清洗机器人2的固定位置在Z^S方向上也是随机的，O^S和O^T存在位移偏差；

清洗机器人2检测固定坐标系{S}的X^S方向标定点位置，得到{T}相对于{S}绕Z^S轴的偏转角γ，同时检测螺旋桨1的桨毂端面基准，得出{T}相对于{S}在Z^S方向的偏移值Δz，由偏转角γ和偏移值Δz得出{T}相对于{S}的变换矩阵S_TT，

步骤四：分割待清洗面重叠区域；

如图3所示，在固定坐标系{S}中，将螺旋桨待清洗面4轮廓线方程L^S(x,y,z)投影在X^SO^SY^S平面内，得到方程

右侧相邻桨叶待清洗面4轮廓线投影方程为

由

和

求解重叠区域特征点F位置，

和

与桨轴交点分别为E和D，连接EF，作EF平行线L1与曲线段DF相切，L1与轮毂交点为M，连接ME，过F点做ME平行线L2，L2与L1交点为N，四边形MEFN覆盖的区域定为重叠区域清洗范围；

以B/2为间距，做MN平行线，交桨毂轮廓线和NF于J₁和J₂点，延长J₁J₂至J₃点，延长距离为B，继续以B/2为间距，向X^S负方向做j条J₁J₃的平行线，直至清洗范围覆盖完重叠区域；其中，B为清洗枪有效清洗宽度，j＝1,2,3...；

步骤五：分割待清洗面未重叠区域；

找到

上距离原点最远点，并计算其与原点距离为R，在X^SO^SY^S平面内，以O^S为原点，以R为半径，建立螺旋桨待清洗面包络圆C₀；

以O^S为原点，以R-i*B为半径，建立待清洗面分割圆C_i，分割圆C_i与待清洗面轮廓线左右交点分别为U_Li和U_Ri，分割圆C_i和C_i-1形成的圆环为第i个清洗带；

设n为≤(R-R₀)/B的最大整数，R₀为桨毂半径；当n为整数时，i＝1,2,3...n，当n不为整数时，i＝1,2,3...n,n+1，当i取到n+1时，即(R-R₀)/B不为整数，则上述n个清洗带无法覆盖螺旋桨待清洗面，待清洗面在桨叶根部存在剩余区域，因此需要以R₀+B为半径建立待清洗面分割圆C_n+1，分割圆C_n+1与桨毂轮廓线形成第n+1个清洗带，以覆盖桨叶根部剩余区域；

步骤六：求解X^SO^SY^S内清洗轨迹；

在固定坐标系{S}的X^SO^SY^S平面内，建立第i个清洗带的清洗轨迹环P_i，P_i方程为x²+y²＝(R-(i-0.5)*B)²，

若存在P_n+1，则P_n+1方程为x²+y²＝(R₀+0.5*B)²；

清洗轨迹环P_i与清洗带左右两侧轮廓线交点分别为Q_Li和Q_Ri，以O^S为起点做两条射线，包络第i个清洗带左右两侧清洗轮廓，清洗轨迹环P_i与两条包络射线的交点分别为G_Li和G_Ri，则G_LiG_Ri的曲线方程

为未重叠区域每个清洗带的清洗轨迹；

J₁J₃和与J₁J₃平行的曲线方程

为重叠区域的清洗轨迹；

步骤七：求解{S}内清洗轨迹；

如图4所示，在{S}将

和

的Z^S坐标值取任意值，得到一系列曲面，将得到的曲面分别与待清洗面4曲面方程F^S(x,y,z)求相交线，即得到X^SO^SY^S平面内的清洗轨迹在待清洗面4上的投影曲线；

U′_Li和U′_Ri为U_Li和U_Ri在待清洗面4的投影点；

由于G_LiG_Ri在X^SO^SY^S平面内已超出螺旋桨轮廓曲线范围，因此，未重叠区域的清洗轨迹无法完全投影到待清洗面4上，只能得到部分投影曲线Q′_LiQ′_Ri，G_LiQ_Li和G_RiQ_Ri线段处于螺旋桨轮廓线外，其Z^S坐标值需要给定，得到曲线G′_LiQ′_Li和G′_RiQ′_Ri，进而在{S}内得到完整的清洗轨迹曲线G′_LiG′_Ri；

以G′_LiQ′_Li段曲线为例，从点G′_Li到Q′_Li，其Z^S坐标值由

映射得到，则得到G′_LiQ′_Li曲线方程，同理得到G′_RiQ′_Ri曲线方程，进而得到{S}内得到完整的清洗轨迹曲线G′_LiG′_Ri方程为

未重叠区域和重叠区域的清洗轨迹方程分别为

和

由于清洗枪在清洗过程中需要保持有效清洗距离h，(h取5～10cm)，因此需要将清洗轨迹沿Z^S负方向平移h，得到清洗枪运动轨迹方程为

和

步骤八：在{T}内控制清洗机器人运动；

将固定坐标系{S}中规划的清洗路径，转换到清洗机器人2坐标系{T}中，未重叠区域和重叠区域清洗轨迹方程分别为

根据{T}中的清洗轨迹方程，控制清洗机器人2运动，带动清洗枪3清洗单片桨叶，完成后，清洗机器人2绕桨轴转动角度

(k为桨叶个数)，继续按照{T}中的清洗轨迹方程清洗下一个桨叶，直至清洗完所有桨叶。

一种使用上述的螺旋桨清洗路径规划方法进行螺旋桨清洗作业的清洗机器人，如图6所示，包括清洗枪3、活动臂9、电机5、夹持爪、滚轮8，夹持爪相对设有两个，两者的一端通过连接块相互铰接构成一个整体，夹持爪包括定位夹持卡爪一6、定位夹持卡爪二7，两者的一端相互铰接，定位夹持卡爪一6另一端与连接块铰接，定位夹持卡爪一6内侧面上设有滚轮8，活动臂9的一端与连接块连接，另一端与清洗枪连接，滚轮8与电机5连接，电机5安装在连接块上。

电机驱动定位夹持卡爪一里面的滚轮转动，实现清洗机器人绕螺旋桨1的桨轴转动，旋转完成后，定位夹持卡爪二对桨轴进行定位抱紧。所有运动通过控制器实现智能化控制，同时配置三维扫描仪对螺旋桨1的结构进行扫描，并上传控制器，从而为控制器进行路径规划提供数据支撑。

清洗枪不需要打开或关闭，清洗枪由岸上的高压泵站提供高压水，清洗枪在清洗过程中一直保持开启状态，向外喷射高压水。如果需要控制清洗枪打开或关闭，可以通过电磁阀来控制。

Claims

1.一种螺旋桨清洗路径规划方法，其特征在于，所述清洗路径规划方法用于清洗机器人，所述清洗路径规划方法包括以下步骤：

另一相螺旋桨待清洗面轮廓线投影方程为

由

和

求解重叠区域特征点F位置，

和

步骤五：找到

重叠区域的清洗轨迹的曲线方程为

步骤七：求解{S}内清洗轨迹，在{S}将

和

和

将清洗轨迹沿Z^S负方向平移h，得到清洗枪运动轨迹方程为

和

2.根据权利要求1所述的螺旋桨清洗路径规划方法，其特征在于，在步骤一中，清洗机器人夹持固定在螺旋桨桨轴上，Z^S与Z^T方向重合。

3.根据权利要求1所述的螺旋桨清洗路径规划方法，其特征在于，在步骤四中，B为清洗枪有效清洗宽度，j＝1,2,3...。

4.根据权利要求1或3所述的螺旋桨清洗路径规划方法，其特征在于，在步骤四中，J₁J_2延长至至J₃点的延长距离为B，与J₁J₃的平行的相邻两条平行线的间距为B/2。

5.根据权利要求1或3所述的螺旋桨清洗路径规划方法，其特征在于，在步骤五中，设n为≤(R-R₀)/B的最大整数，R₀为桨毂半径；当n为整数时，i＝1,2,3...n，当n不为整数时，i＝1,2,3...n,n+1，当i取到n+1时，(R-R₀)/B不为整数，以R₀+B为半径建立待清洗面分割圆C_n+1，分割圆C_n+1与桨毂轮廓线形成第n+1个清洗带，全面覆盖桨叶根部剩余区域。

6.根据权利要求5所述的螺旋桨清洗路径规划方法，其特征在于，在步骤六中，若存在P_n+1，则P_n+1方程为x²+y²＝(R₀+0.5*B)²。

7.根据权利要求1所述的螺旋桨清洗路径规划方法，其特征在于，在步骤六中，清洗轨迹环P_i与清洗带左右两侧轮廓线交点分别为Q_Li和Q_Ri，以O^S为起点做两条射线，包络第i个清洗带左右两侧清洗轮廓，清洗轨迹环P_i与两条包络射线的交点分别为G_Li和G_Ri，G_LiG_Ri的曲线方程

为重叠区域的清洗轨迹。

8.根据权利要求1所述的螺旋桨清洗路径规划方法，其特征在于，在步骤八中，k为桨叶个数。

9.一种使用权利要求1～8任一所述的螺旋桨清洗路径规划方法进行螺旋桨清洗作业的清洗机器人，其特征在于，包括清洗枪、活动臂、电机、夹持爪、滚轮，夹持爪相对设有两个，两者的一端通过连接块相互铰接构成一个整体，活动臂的一端与所述连接块连接，另一端与清洗枪连接，夹持爪内侧面上设有滚轮，滚轮与电机连接，电机安装在连接块上。

10.根据权利要求9所述的清洗机器人，其特征在于，夹持爪包括定位夹持卡爪一、定位夹持卡爪二，两者的一端相互铰接，所述定位夹持卡爪一另一端与所述连接块铰接，所述定位夹持卡爪一内侧面上设有滚轮。