CN113291430A - 一种船体海生物清理机器人及其运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船体海生物清理机器人及其运动控制方法，包括第一吸附装置、第二吸附装置、机架、清理装置、第一从动齿轮、原动齿轮、第二从动齿轮、减速机构和电机，所述第一吸附装置与所述第二从动齿轮同轴连接，所述第二吸附装置与所述第一从动齿轮同轴连接，所述清理装置两两对称布置在机架上且位于所述第一吸附装置和所述第二吸附装置的外围，所述减速机构输入端与所述电机输出轴相连接，所述减速机构输出端与所述原动齿轮连接，所述原动齿轮与所述第一从动齿轮啮合，所述第一从动齿轮与所述第二从动齿轮啮合，本发明降低了船体表面清洁的劳动强度，清理船体可靠度和效率更高，使得船舶可以提高航速，降低油耗。

Description

一种船体海生物清理机器人及其运动控制方法

技术领域

本发明涉及船舶维修保养机器人技术领域，特别是涉及一种船体海生物清理机器人及其运动控制方法。

背景技术

船体结构表面附着的海生物会明显增加航行阻力，使船舶航行速度降低，增加燃油消耗。与此同时，附着的海生物还可能堵塞船体进排水口，影响部分机械结构正常工作，从而使船舶存在安全隐患。传统的船体表面海生物清洗方式主要分为船舶入坞清洗和潜水员下水清洗。前者花费时间长，耗费了大量的人力物力，而后者的劳动强度和作业难度大，易造成潜水员疲劳，并且对潜水员要求较高。因此，研发船体海生物清理机器人，从而能够在船舶靠岸期间即可开展清理工作，对有效保障船舶动力系统的安全运行、提高装备完好性水平、缩短保障时间、降低装备维护费用、提高装备技术保障水平具有重要意义。

专利CN207058300U提出的爬壁清理机器人采用永磁体镶嵌履带的方式完成吸附和前进，但是该方法旋转笨拙，且镶嵌永磁体的履带难以控制其吸附力的大小及通断；同时由于其清理装置被履带包围，导致履带总会需要经过未清理的壁面，极大降低了吸附的平稳性和安全性。且专利CN207058300U中的嵌入永磁体的履带的头尾在运动时总会有永磁体处于被分离的状态。

专利CN209315748U提出的一种清理机器人采用机械臂控制吸附模块实现移动的多足式结构。该方案提出的多机械臂(足)式结构在布局上，机械臂(足)都布置在清理模块的外围，同样将导致机械臂(足)上的吸附模块总会需要吸附在未清理的壁面，极大降低了吸附的平稳性和安全性。此外从稳定性和成本角度考虑，多自由度的机械臂(足)结构复杂，稳定性和可靠性较差，且成本较高。

专利CN102910269A提出的一种船体清刷机器人由旋翼转动动力装置驱动，配以导向轮实现机器人在船体壁面的移动。该方法依赖旋翼产生的推力将机器人压在船体外壁上，但由于该专利中的机器人通过导向轮与壁面接触，滚动摩擦无法提供有效的壁面切向力来克服清理船体壁面时所产生的作用力，容易产生漂移，影响清理效果。而且专利CN102910269A提出的一种船体清刷机器人在移动时，只能通过旋翼单轴旋转调整角度来完成动作，实现难度较高且容易受到外界影响。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种船体海生物清理机器人及其运动控制方法，解决了现有船体结构表面附着的海生物对航行阻力、航速和燃料消耗的不利影响，降低了船体表面清洁的劳动强度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种船体海生物清理机器人及其运动控制方法，包括第一吸附装置、第二吸附装置、机架、清理装置、第一从动齿轮、原动齿轮、第二从动齿轮、减速机构和电机，所述第一吸附装置与所述第二从动齿轮同轴连接，所述第二吸附装置与所述第一从动齿轮同轴连接，所述清理装置两两对称布置在机架上且位于所述第一吸附装置和所述第二吸附装置的外围，所述减速机构输入端与所述电机输出轴相连接，所述减速机构输出端与所述原动齿轮连接，所述原动齿轮与所述第一从动齿轮啮合，所述第一从动齿轮与所述第二从动齿轮啮合。

作为优选，所述第一吸附装置和所述第二吸附装置采用电磁铁或吸盘方式吸附，所述第一吸附装置和所述第二吸附装置根据不同的旋转运动控制模式交替吸附在船体表面，即所述第一吸附装置吸附时，所述第二吸附装置松开，所述第二吸附装置吸附时，所述第一吸附装置松开。

作为优选，所述清理装置的半径为R_c，所述清理装置可以各自实现以直线运动中轴线某点为轴心的180度清理，其清理区域为外径R的圆环。

作为优选，所述机架为圆形，其半径为R₁。

作为优选，所述减速机构采用蜗轮蜗杆传动方式，即所述减速机构输入端与所述电机输出轴相连接，所述减速机构输入端为蜗杆轴，所述减速机构输出端与所述原动齿轮连接，所述减速机构输出端为蜗轮轴。

作为优选，所述电机的旋转控制由PID控制器实现。

作为优选，所述电机、原动齿轮、第一从动齿轮或第二从动齿轮上安装有可以测量旋转方向的旋转编码器。

作为优选，一种船体海生物清理机器人的运动控制方法，包括以下步骤：

S1：当船体海生物清理机器人旋转方式为第一控制模式时，第一吸附装置(1)吸附在船体表面，第二吸附装置(2)松开，电机(9)经减速装置(8)、原动齿轮(6)传递动力至第一从动齿轮(5)。

S2：由于第一吸附装置(1)吸附在船体表面，与之固连的第二从动齿轮(7)无法相对壁面旋转，因此第一从动齿轮(5)带动机架(3)绕第二从动齿轮(7)的轴线旋转。

S3：当船体海生物清理机器人旋转方式为第二控制模式时，第二吸附装置(2)吸附在船体表面，第一吸附装置(1)松开，电机(9)经减速装置(8)驱动原动齿轮(6)旋转。

S4：由于第二吸附装置(2)吸附在船体表面，与之固连的第一从动齿轮(5)无法相对壁面旋转，因此原动齿轮(6)带动机架(3)绕第一从动齿轮(5)轴线旋转。

本发明的实质性效果是：

(1)本发明的吸附装置采用的电磁铁或吸盘，可以准确调节吸附力的大小和通断，其清理装置布置在吸附装置的外围，在机器人的行进过程中，吸附位置已由清理装置清理过，可以有效保证吸附的稳定性和安全性。

(2)本发明采用了基于旋转的运动方式，可以灵活地实现任意方向转向及移动，机器人用于水下船体壁面附着物(主要是水生物)的清理，使得船舶可以提高航速，降低油耗。

(3)本发明提出的机器人运动方式的转向精度更高，采用齿轮传动及同轴转动的方式，结构简单易维护，稳定可靠且成本较低。

(4)本发明采用的旋转运动方法与直线运动方法在移动时，始终保证有一个吸附装置吸附在船体壁面不发生相对运动，保证了机器人与船体的连接，提供足够的切向力保证清理装置能够顺利清理船体。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明俯视图；

图3、图4为本发明运动示意图；

图5为本发明直线运动方式仿真效果图；

图6为本发明第一清理方案的路径示意图；

图7为本发明第二清理方案的路径示意图。

图中标记为：1-第一吸附装置，2-第二吸附装置，3-机架，4-清理装置，5-第一从动齿轮，6-原动齿轮，7-第二从动齿轮，8-减速机构，9-电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1、图2所示，一种船体海生物清理机器人及其运动控制方法，包括第一吸附装置1、第二吸附装置2、机架3、清理装置4、第一从动齿轮5、原动齿轮6、第二从动齿轮7、减速机构8和电机9，所述第一吸附装置1与所述第二从动齿轮7同轴连接，所述第二吸附装置2与所述第一从动齿轮5同轴连接，所述清理装置4两两对称布置在机架3上且位于所述第一吸附装置1和所述第二吸附装置2的外围，所述减速机构8的输入端与所述电机9输出轴相连接，所述减速机构8输出端与所述原动齿轮6连接，所述原动齿轮6与所述第一从动齿轮5啮合，所述第一从动齿轮5与所述第二从动齿轮7啮合。

所述第一吸附装置1和所述第二吸附装置2采用电磁铁或吸盘方式吸附，所述第一吸附装置1和所述第二吸附装置2根据不同的旋转运动控制模式交替吸附在船体表面，即所述第一吸附装置1吸附时，所述第二吸附装置2松开，所述第二吸附装置2吸附时，所述第一吸附装置1松开。

所述清理装置4的半径为R_c，所述清理装置4可以各自实现以直线运动中轴线某点为轴心的180度清理，其清理区域为外径R的圆环。

所述机架3为圆形，其半径为R₁。

所述减速机构8采用蜗轮蜗杆传动方式，即所述减速机构8输入端与所述电机9输出轴相连接，所述减速机构8输入端为蜗杆轴，所述减速机构8输出端与所述原动齿轮6连接，所述减速机构8输出端为蜗轮轴。

所述电机9的旋转控制由PID控制器实现。

所述电机9、原动齿轮6、第一从动齿轮5或第二从动齿轮7上安装有可以测量旋转方向的旋转编码器。

在本发明工作时，所述电机9经所述减速机构8驱动所述原动齿轮6于所述机架3上指定位置旋转，带动所述第二从动齿轮7与所述第一吸附装置1、所述第一从动齿轮5与所述第二吸附装置2于所述机架3上旋转，具体的旋转运动将分为两种不同的控制模式来实现，请参考第一与第二控制模式。

一种船体海生物清理机器人的运动控制方法，包括以下步骤：

当船体海生物清理机器人旋转方式为第一控制模式时(参见图3，图中实心黑点表示吸附装置吸附)：

第一吸附装置1吸附在船体表面，第二吸附装置2松开，电机9经减速装置8、原动齿轮6传递动力至第一从动齿轮5。由于第一吸附装置1吸附在船体表面，与之固连的第二从动齿轮7无法相对壁面旋转，因此第一从动齿轮5带动机架3绕第二从动齿轮7的轴线旋转，从而实现机器人以第一吸附装置1为旋转中心的旋转方式。

当船体海生物清理机器人旋转方式为第二控制模式时(参见图4，图中实心黑点表示吸附装置吸附)：

第二吸附装置2吸附在船体表面，第一吸附装置1松开，电机9经减速装置8驱动原动齿轮6旋转。由于第二吸附装置2吸附在船体表面，与之固连的第一从动齿轮5无法相对壁面旋转，因此原动齿轮6带动机架3绕第一从动齿轮5轴线旋转，从而实现机器人以第二吸附装置2为旋转中心的旋转方式。

上述旋转方式的两种控制模式中电机9的旋转控制由PID控制器实现，PID控制器的输入为机器人目前姿态角度与目标姿态角的差值，而输出为电机9的驱动功率及转动方向。通过调节PID控制器的比例、积分和微分环节的系数，实现机器人快速旋转到目标旋转角度，并没有明显的超调。

减速机构8采用蜗轮蜗杆传动方式并且利用蜗轮蜗杆传动的自锁特性，在电机9断电或处于刹车状态时，减速机构8自锁，机器人可维持在当前角度，与壁面不发生相对运动。

本发明的运动方式包括直行方式和转弯方式。

该实施例还提供了本发明直行方式的具体实现步骤：

以初始状态时第一吸附装置1吸附、第二吸附装置2松开为例：

1)本发明以旋转方式第一控制模式顺时针或逆时针旋转180度；

2)第二吸附装置2吸附，第一吸附装置1松开，本发明以旋转方式第二控制模式顺时针或逆时针旋转180度；

3)第一吸附装置1吸附，第二吸附装置2松开。

4)重复执行上述步骤，机器人可实现直线运动。

该实施例还提供了本发明转弯方式的具体实现步骤：

以初始状态时第一吸附装置1吸附、第二吸附装置2松开为例：

1)本发明以旋转方式第一控制模式顺时针或逆时针旋转到所需转弯的方向；

2)第二吸附装置2吸附，第一吸附装置1松开，机器人转弯动作完成；可继续执行上述直线运动。

3)本发明的直线和转弯运动中，外部供电线及通讯线缆会产生旋拧角度

同时，直线和转弯运动是通过机器人的两种旋转方式实现，旋转过程中两个吸附装置的引线也会产生旋拧角

为避免

和

的持续增加，需要进行防旋拧控制，具体方法如下：

步骤1、获取旋拧角度

由前述姿态解算方法可以得到机器人的姿态角度，进而得出旋拧角度

步骤2、获取旋拧角度

通过对安装的旋转编码器输出的脉冲计数，得到以编码器计数值为单位的编码器旋转角度N，再根据编码器线数M、编码器从第一从动齿轮5或第二从动齿轮7的减速比R，则可以得出以下公式

步骤3、通过调整

和

的正负号，使得当原动齿轮6正向转动、带动机器人以旋转方式1旋转时，

和

均增加；

步骤4、根据步骤3完成之后的

和

值，确定步骤4的旋转方向。前面描述的本发明直线运动或转弯运动的步骤中，机器人可选择顺时针或逆时针旋转，而不同的旋转方向会分别导致

和

的增加或减少(参见表1及图3、图4)，通过选择能够减少

数值的旋转方向，可避免旋拧角

和

的持续增加，即两个旋拧角的取值在固定范围内。

表1旋拧角与船体海生物清理机器人旋转方式、旋转方向关系表

进一步的，以图1所示安装四个清理装置的本发明为例，机器人做直线运动时，其清理宽度的计算方法如下：由于无论本发明的直线运动是通过顺时针还是逆时针旋转实现，图1所示的左右两个清理装置可各自实现以直线运动中轴线某点为轴心的180度清理，其清理区域为外径R的圆环，而相邻圆环圆心间距为吸附装置间距H，由此可计算，清理区域宽度为d，其中：

进一步的，根据图1所示的尺寸图，为了使清洁清理装置的轨迹重叠从而保证清洁效果，规定：

进一步的，对船体壁面清洁船体海生物清理机器人以上述直线运动方式进行仿真，仿真步长为5度，仿真参数如可以得到图5所示仿真结果，其中仿真参数取值为：R₁＝270，R_c＝135，H＝162。由图5可以看出，清理边界之间的区域全都被清洁，这说明了清理边界选择的合理性。

依据前述，在清理一个宽度为W，高度为L的矩形区域时，其两种路径示意图如图3、图4所示。

对于图3所示的路径规划方式，当船体壁面清洁时，即机器人运动到清洁区域时，其具体动作步骤为(其中

)：

1)船体壁面清洁时机器人向下运动[(L-2m-H)/H]步；

2)船体壁面清洁时机器人向右运动[d/H+1]步；

3)船体壁面清洁时机器人向上运动[(L-2m-H)/H]步；

4)船体壁面清洁时机器人向右运动[d/H+1]步。

重复步骤1～4，直至完成指定矩形区域的清洗。清洗过程中，船体壁面清洁时机器人共需向右移动[(W-d)/(d/H)×H]×[d/H+1]步。

对于图4所示的路径规划方式，当船体壁面清洁时，即机器人运动到清洁区域时，其具体步骤为(其中

)：

1)船体壁面清洁时机器人向右运动[(W-2m-H)/H]步；

2)船体壁面清洁时机器人向下运动[d/H]+1步；

3)船体壁面清洁时机器人向左运动[(W-2m-H)/H]步；

4)船体壁面清洁时机器人向下运动[d/H]+1步；

重复步骤1～4，直至完成指定矩形区域的清洗。清洗过程中，船体壁面清洁时机器人共需向下移动[(L-d)/([d/H]×H)]×([d/H]+1)步。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (8)

1.一种船体海生物清理机器人，其特征在于，包括第一吸附装置(1)、第二吸附装置(2)、机架(3)、清理装置(4)、第一从动齿轮(5)、原动齿轮(6)、第二从动齿轮(7)、减速机构(8)和电机(9)，所述第一吸附装置(1)与所述第二从动齿轮(7)同轴连接，所述第二吸附装置(2)与所述第一从动齿轮(5)同轴连接，所述清理装置(4)两两对称布置在机架(3)上且位于所述第一吸附装置(1)和所述第二吸附装置(2)的外围，所述减速机构(8)输入端与所述电机(9)输出轴相连接，所述减速机构(8)输出端与所述原动齿轮(6)连接，所述原动齿轮(6)与所述第一从动齿轮(5)啮合，所述第一从动齿轮(5)与所述第二从动齿轮(7)啮合。

2.根据权利要求1所述的一种船体海生物清理机器人，其特征在于，所述第一吸附装置(1)和所述第二吸附装置(2)采用电磁铁或吸盘方式吸附，所述第一吸附装置(1)和所述第二吸附装置(2)根据不同的旋转运动控制模式交替吸附在船体表面，即所述第一吸附装置(1)吸附时，所述第二吸附装置(2)松开，所述第二吸附装置(2)吸附时，所述第一吸附装置(1)松开。

3.根据权利要求1所述的一种船体海生物清理机器人，其特征在于，所述清理装置(4)的半径为R_c，所述清理装置(4)可以各自实现以直线运动中轴线某点为轴心的180度清理，其清理区域为外径R的圆环。

4.根据权利要求1所述的一种船体海生物清理机器人，其特征在于，所述机架(3)为圆形，其半径为R₁。

5.根据权利要求1所述的一种船体海生物清理机器人，其特征在于，所述减速机构(8)采用蜗轮蜗杆传动方式，即所述减速机构(8)输入端与所述电机(9)输出轴相连接，所述减速机构(8)输入端为蜗杆轴，所述减速机构(8)输出端与所述原动齿轮(6)连接，所述减速机构(8)输出端为蜗轮轴。

6.根据权利要求1所述的一种船体海生物清理机器人，其特征在于，所述电机(9)的旋转控制由PID控制器实现。

7.根据权利要求1所述的一种船体海生物清理机器人，其特征在于，所述电机(9)、原动齿轮(6)、第一从动齿轮(5)或第二从动齿轮(7)上安装有可以测量旋转方向的旋转编码器。

8.根据权利要求1-7任意一项权利要求所述的一种船体海生物清理机器人的运动控制方法，包括以下步骤：

S1：当船体海生物清理机器人旋转方式为第一控制模式时，第一吸附装置(1)吸附在船体表面，第二吸附装置(2)松开，电机(9)经减速装置(8)、原动齿轮(6)传递动力至第一从动齿轮(5)。

S2：由于第一吸附装置(1)吸附在船体表面，与之固连的第二从动齿轮(7)无法相对壁面旋转，因此第一从动齿轮(5)带动机架(3)绕第二从动齿轮(7)的轴线旋转。

S3：当船体海生物清理机器人旋转方式为第二控制模式时，第二吸附装置(2)吸附在船体表面，第一吸附装置(1)松开，电机(9)经减速装置(8)驱动原动齿轮(6)旋转。

S4：由于第二吸附装置(2)吸附在船体表面，与之固连的第一从动齿轮(5)无法相对壁面旋转，因此原动齿轮(6)带动机架(3)绕第一从动齿轮(5)轴线旋转。

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