CN114604387A - 一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，包括核心舱，以悬臂结构安装在核心舱侧面的软体臂，连接在软体臂下侧的刮扫足阵列，安装在核心舱底部的行动装置，设置在核心舱内部的控制器和电源。本发明在软体臂形变与足上柔性结构补偿形变的双重自适应作用下，可以很好适应舰船外板的复杂曲面形状；刮扫足阵列中的刮扫足彼此独立，在各个刮扫足中均有足内永磁体直接为刮扫块提供所需的吸附力，使吸附力作用面积大，吸附柔和；由于行动装置无需为软体臂和刮扫足阵列提供吸附力，行走装置可以精简灵活，从而使仿生软体机器人行动灵活；通过同时增加软体臂的长度和刮扫足的数量，在保证吸附稳定的前提下，实现更大的清洁范围。

Description

一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人

技术领域

本发明涉及与船有关的设备技术领域，具体涉及一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人。

背景技术

船体外板是对舰船舷侧和底部外侧的船体板的统称。作为舰船船体的水密外壳，船体外板在承受水动力的同时，会受到海洋生化环境影响。因此，在航行过程中，船体外板会发生生物污损现象，即以藤壶为代表的部分海洋生物会在船体外板上附着生长，逐渐累积形成一层不利于舰船航行的生物污损层。严重的生物污损层粗糙、牢固且有生化特性，使舰船的航行阻力增加、船体腐蚀加剧，致使舰船航行速度降低、燃料消耗增加、坞修频繁，使舰船的使用效率大打折扣。

当前，对抗生物污损的方法主要有两种。一种是在船体外板涂装中使用防污涂料，通过排斥甚至毒杀附着生物的方式阻止海生物附着；另一种是定期进入船坞使用机械和手工工具将生物污损层彻底清除。两种方法均有不足。对于使用防污涂料的方法，现有实用的防污涂料尚不能完全阻止生物污损层出现，作用限于延缓；新型涂料往往具有使用寿命限制，超期后需要进坞重涂；含毒涂料更是直接危害海洋环境，违背环境友好发展理念。对于定期进坞清除的方法，由于舰船需要进坞清理时，已经积累了相当严重的生物污损层，舰船性能下降的事实已经发生；同时，由于生物污损层已经粗糙而牢固，对其彻底清除费时而费力，维护成本高；另一方面，由于在坞期间舰船无法正常使用，进坞清理还会为舰船所属单位带来其它不利影响。

近年来，新出现了各种使用机器人在水下清除船体外板生物污损层的技术方案，如通过在履带式机器人上加装水下推进器和铲刀机构 (CN111252207B)、在轮式机器人上加装电磁铁和高压水枪(CN110606172B)、在轮式机器人上设置负压装置并加装水下推进器和清洗刷(CN111232151B)、在无人潜航器上加装紫外辐射装置 (CN111098994B)、在无人潜航器携带的机械臂(腿)上加装电磁铁和清洗刷(CN108313241B)等方式实现机器人在船体外板上的移动和对外板的清洁作业。尽管具体技术手段各不相同，但推究本质，现有技术方案的技术路线是相同的，均是提供一种能在船体外板上附着移动且附加清洁装置的刚性机器人，因而这些技术方案具有相同的局限性。第一，由于机器人为刚性而舰船外板为曲面，因此，机器人必须足够小，以至可以将外板曲面视为平面；第二，由于机器人是刚性的，因此，机器人无法跨越大曲率位置或必须与外板解除吸附后才能设法跨越；第三，由于清洁装置是被孤立地附加在机器人上的，而机器人的负载能力有限，因此，清洁装置的大小和数量受到限制。由于这三点局限性，现有技术方案提供的机器人无法同时实现大机型、低功耗、简单灵活、吸附可靠和大清洁范围，因而总的移动清洁能力是有限的，不足以在航行过程中经常性地自主或受控清洁各处大面积、有曲率的船体外板以使外板总是处于清洁的状态，即不足以用于维持大型舰船船体外板清洁。

综上所述，对于大型舰船，现有技术方案既无法永久避免生物污损的发生，也无法在航行过程中及时有效地清洁各处船体外板，致使大型舰船在长久航行后总会遭受严重的生物污损，性能下降，运行和服役受到影响。

发明内容

本发明是为了解决现有外板清洁机器人因清洁装置孤立及结构刚性这两项本质特点而引起的移动清洁能力不足，以及现有技术方案无法在航行过程中及时清理大型舰船船体外板的问题，提供一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，在软体臂形变与足上柔性结构补偿形变的双重自适应作用下，可以很好适应舰船外板的复杂曲面形状；刮扫足阵列中的刮扫足彼此独立，在各个刮扫足中均有足内永磁体直接为刮扫块提供所需的吸附力，使吸附力作用面积大，吸附柔和；由于行动装置无需为软体臂和刮扫足阵列提供吸附力，行走装置可以精简灵活，从而使仿生软体机器人行动灵活；通过同时增加软体臂的长度和刮扫足的数量，在保证吸附稳定的前提下，实现更大的清洁范围，本发明通过引入软体结构并在设计中将清洁装置与软体结构有机结合，可以同时实现大机型、吸附可靠、简单灵活和大清洁范围，因而具备较强的移动清洁能力。

本发明提供一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，包括核心舱，以悬臂结构安装在核心舱侧面的软体臂，连接在软体臂下侧的刮扫足阵列，安装在核心舱底部的行动装置，设置在核心舱内部与行动装置电连接的控制器和设置在核心舱内部与控制器电连接的电源；

刮扫足阵列用于在磁力作用下吸附在船体外板上并带动软体臂发生弹性弯曲，刮扫足阵列用于进行船体外板的清洁，行动装置用于在控制器的控制下带动仿生软体机器人在船体外板移动，电源用于为行动装置和/或控制器供电；

每个刮扫足阵列包括至少2个刮扫足，刮扫足包括足体，连接足体与软体臂的足上柔性结构和连接在足体前端的足内永磁体、刮扫块，足内永磁体设置在足体或刮扫块内部，刮扫块为刮扫足的末端；足上柔性结构用于在足内永磁体与船体外板产生磁力时发生弹性变形以使刮扫块适应船体外板形状并贴合在船体外板上，足上柔性结构的材料为弹性材料，刮扫块用于清除附着在船体外板上的海洋生物。

本发明所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，作为优选方式，每个软体臂至少连接一个刮扫足阵列，每个刮扫足阵列包括线性排成一列或多列的多个刮扫足，足上柔性结构为板状结构或杆状结构，足体与足上柔性结构为一体成型，刮扫块与足体可拆卸连接，刮扫块的前端为刃状结构和/或刷丝。

本发明所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，作为优选方式，每个软体臂至少连接一个刮扫足阵列，每个刮扫足阵列包括线性排成两列的多个刮扫足，其中一列的每个足上柔性结构与另一列的每个足上柔性结构交叉设置。

本发明所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，作为优选方式，软体臂、足体和足上柔性结构的材料为以下任意一种：凝胶、橡胶、硅橡胶和热塑性弹性体。

本发明所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，作为优选方式，核心舱为舱式密封结构，核心舱包括核心舱壳体、可拆卸的设置在核心舱壳体上部的核心舱上盖和可拆卸的设置在核心舱上盖上部中心的核心舱口盖，核心舱壳体的侧面与软体臂连接，行动装置设置在核心舱壳体下部外侧或者部分设置在核心舱壳体内部、另一部分从核心舱壳体内部伸出，控制器和电源设置在核心舱壳体内部，核心舱上盖的中部开口，开口处设置开关或者电缆接口，核心舱口盖用于保护开关或者电缆接口。

本发明所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，作为优选方式，软体臂包括下侧与足上柔性结构连接的弹性本体，连接弹性本体、核心舱的安装肩甲和设置在弹性本体内部的软骨架，安装肩甲上设置用于与核心舱连接的肩甲通孔，弹性本体为悬臂结构，软骨架包括设置在弹性本体内部的骨块，骨块的材料为刚性材料或弹性低于弹性本体的弹性材料，骨块用于调定软体臂的变形特性。

本发明所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，作为优选方式，软骨架还包括呈杆状结构用于抵抗剪切变形的脊轴和用于连接脊轴，骨块的肋柱和用于连接安装肩甲、脊轴的软骨架安装接头，骨块分布在脊轴的两侧，软骨架设置在弹性本体内部下侧，脊轴和肋柱材料均为弹性低于弹性本体的弹性材料，软骨架安装接头为设置有槽口的块状结构体。

本发明所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，作为优选方式，行动装置包括设置在核心舱底部的磁轮和与磁轮连接的动力模组；磁轮内部设置永磁体，磁轮用于在动力模组的控制下带动仿生软体机器人在船体外板移动；动力模组与控制器电连接，动力模组用于在控制器驱动下带动磁轮转动。

本发明所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，作为优选方式，动力模组包括与控制器电连接的动力装置和与动力装置连接的传动轴；

动力装置用于产生转矩并输出至传动轴；传动轴与磁轮连接，传动轴用于带动磁轮转动。

本发明所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，作为优选方式，动力装置为以下任意一种：电机，包括液压泵、液压回路、液压马达的液压装置，包括气泵、气压回路、气动马达的气动装置。

海星是棘皮动物中的一类，多数由一个体盘和向外伸出的五个腕组成，呈五角星状。通常，腕的内骨骼由分散的骨板借柔软的结缔组织连接而成，这使腕柔软可弯，从而使海星具备软体特性，可以包覆在各种复杂形状的礁石上。典型海星的腕下侧并排长有上百条可以独立伸缩、末端具有吸盘的管足。在腕包覆礁石的基础上，腕下的上百条管足又进一步独立伸缩至礁石表面，进一步适应礁石的复杂形状，并以末端的吸盘进行吸附。在腕和管足的双重自适应下，海星可以牢固的吸附在复杂形状的礁石上。又由于管足的数量众多，单根管足的吸附力可以很小，换言之，海星产生的吸附力作用面积大，吸附柔和。

大型舰船的船体外板通常以铁磁性的碳素钢或合金钢制造。因此，若使永磁体靠近船体外板，永磁体与船体外板会通过磁场相互吸引。

本发明的目的是提供一种仿生软体机器人，用于维持大型舰船船体外板清洁，克服现有外板清洁机器人因清洁装置孤立及结构刚性这两项本质特点而引起的移动清洁能力不足，解决现有技术方案无法在航行过程中及时清理大型舰船船体外板的问题。为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种仿生软体机器人，模仿海星的身体构造，用于维持大型舰船船体外板清洁，包括核心舱、软体臂、刮扫足阵列、行动装置、控制器和电源。其中，所述核心舱为舱式水密结构；所述软体臂以悬臂结构安装在核心舱的外部，可发生弹性弯曲变形，用于实现对船体外板曲面形状的自适应；所述刮扫足阵列包括多个刮扫足，多个刮扫足按一定的排列方式组成一个刮扫足阵列；刮扫足包括足体、刮扫块、足内永磁体和足上柔性结构；刮扫块安装在足体下，用于清除船体外板上附着的海洋生物；刮扫块既可以是具有刃状结构的结构件，也可以是具有刷丝的结构件，还可以是既具有刃状结构、又具有刷丝的结构件，相应地，刮扫块清除船体外板上附着的海洋生物的方式既可以是凭借刃状结构实现的刮除，也可以是凭借刷丝实现的扫 (刷)除，还可以既凭借刃状结构实现刮除、又凭借刷丝实现扫(刷) 除；足内永磁体安装在足体或刮扫块内，用于产生磁场以吸附船体外板；足体通过足上柔性结构连接到软体臂下；足上柔性结构可以发生弹性变形；所述行动装置既可以安装在核心舱外部，也可以采取一部分构件安装在核心舱内部、另一部分构件从核心舱内部伸出至核心舱外部的布置方式；行动装置用于实现所述仿生软体机器人在船体外板上的运动；所述控制器安装在核心舱内部，用于控制行动装置；所述电源安装在核心舱内部，用于供电。

当所述仿生软体机器人贴近船体外板时，足内永磁体与外板相互吸引，使刮扫足向船体外板吸附，直至足体下的刮扫块与外板接触；同时，刮扫足的足体通过足上柔性结构牵拉软体臂。在刮扫足阵列中各个刮扫足的共同作用下，软体臂形变，实现对船体外板的曲面形状的自适应。软体臂不必形变至与外板曲面形状完全一致，这是因为在软体臂形变的基础上，软体臂下的刮扫足阵列中的每个刮扫足都可以独立凭借各自的足上柔性结构的形变实现补偿，使刮扫块与外板贴附。软体臂与软体臂下的刮扫足阵列相互配合，共同实现所述仿生软体机器人在船体外板曲面上的自适应吸附。

仿生软体机器人在船体外板上的运动由行动装置实现。具体地，行动装置既可以基于一个或多个水下推进器实现，也可以基于履带装置、轮式装置或腿足装置等各类行走装置实现，还可以由水下推进器和行走装置共同实现。对于基于水下推进器实现的情形，通过控制一个或多个水下推进器产生的推力可以实现所述仿生软体机器人在船体外板上的运动；对于基于行走装置实现的情形，行动装置包括行走装置和吸附组件，其中，吸附组件用于产生吸附力以使行走装置与船体外板稳定、充分地接触，行走装置基于履带的转动、轮子的转动或腿足的走动实现运动功能。具体地，吸附组件可以是安装在行走装置内部或外部的永磁体或电磁铁，也可以是安装在行走装置外部的真空吸盘或黏附材料，因此，吸附组件产生吸附力的方式可以为：永磁体或电磁铁以磁场产生磁吸力、真空吸盘以负压作用产生吸力或黏附材料以黏附作用产生粘附力。行动装置既可以安装在核心舱外部，也可以采取一部分构件安装在核心舱内部、另一部分构件从核心舱内部伸出至核心舱外部的方式安装。

当吸附在船体外板上的所述仿生软体机器人需要进行移动清洁作业时，行动装置在控制器的控制下直接驱动核心舱运动。安装在核心舱外部的软体臂随即被带动，并通过足上柔性结构拖动刮扫足的足体，带动足体下的刮扫块在船体外板上扫刮，从而清除船体外板上附着的海生物。控制器可以自主或受遥控地控制行动装置的运行规律，使所述仿生软体机器人可以在船体外板上按一定规律运行，从而实现对船体外板的移动清洁作业。

控制器由电源供电。行动装置既可以由电源供电，也可以由控制器供电，还可以由电源和控制器共同供电。控制器内烧录或安装有控制程序。控制器能够与特定的外界设备进行通讯，用于实现下述功能中的一种或多种，包括：报告机器人的运行状态、提供机器人所在环境的相关信息、反馈移动清洁作业的执行情况、接受外界设备提供的信息以及接受外部设备给出的指令。

进一步地，所述仿生软体机器人包括一个或多个所述软体臂。

进一步地，所述软体臂的材料中至少有一种是弹性软材料。

如前所述，安装在核心舱外部的软体臂为悬臂结构，可以在足上柔性结构的牵拉下形变。足内永磁体与外板因磁力而相互吸引，致使足上柔性结构牵拉软体臂，使软体臂由外板曲面外弯曲至曲面内，因变形量在曲面外，称这种变形为面外弯曲变形。当进行移动清洁作业时，刮扫块扫刮外板，受到工作阻力，致使足上柔性结构牵拉软体臂，使软体臂在外板曲面内弯曲，因变形量在曲面内，称这种变形为面内弯曲变形。除前述两种弯曲变形外，磁吸力和工作阻力还将使软体臂发生剪切变形。为了使软体臂可以适应大曲率的曲面，希望软体臂容易发生面外弯曲变形；由于面内弯曲变形和剪切变形往往会导致软体臂扫过的面积减小，因此希望软体臂难以发生面内弯曲变形和剪切变形。换言之，软体臂最好能朝不同方向表现出明显不同的变形能力。

为了使软体臂可以朝不同方向表现出明显不同的变形能力，模仿海星的身体构造，在弹性软材料的基础上向软体臂内布置其它弹性更低的材料，通过改变这些低弹性或刚性的材料在弹性软材料内的分布，调控软体臂的变形特性。具体地，可以在弹性软材料内沿横向两侧布置若干由低弹性或刚性材料制成的实心块，称为骨块，使软体臂抵抗面内弯曲变形的能力明显提高；可以在弹性软材料内沿轴向布置一个由低弹性材料制成的细长杆，称为脊轴，使软体臂抵抗剪切变形的能力明显提高。在具体实施中，可以只布置骨块而不布置脊轴，也可以既布置骨块又布置脊轴；脊轴和骨块的材料可以相同，也可以不同。各个骨块可以是彼此分离的，但是，为了方便制造，也可以将各个骨块各自通过细长柱状结构连接在脊轴上，从而在制造时使用相同的低弹性材料一体成型。将连接骨块与脊轴的细长柱状结构称为肋柱，将骨块、肋柱、脊轴构成的结构体称为软骨架。在此情形下，软体臂包括软骨架和弹性本体，软骨架被包覆在弹性本体内。

进一步地，所述刮扫足阵列包括多个刮扫足，多个刮扫足线性排成一列或多列组成刮扫足阵列。足上柔性结构可以是板式结构，也可以是螺旋结构。足上柔性结构由弹性材料制成。

进一步地，所述行动装置基于轮式行走方式，包括磁轮和动力模组。其中，磁轮是内部安装有永磁体的轮子；动力模组同时与磁轮和核心舱相连，能够产生转矩以驱动磁轮旋转。

进一步地，动力模组包括动力装置和传动轴，当行动装置安装在核心舱外时，动力模组还包括动力模组壳体。其中，动力模组壳体上具有传动轴通孔和动力模组安装孔，动力模组壳体通过动力模组安装孔安装在核心舱外部；动力装置安装在动力模组壳体内，具有一个动力输出轴，能够输出转矩；传动轴的一端与动力装置的动力输出轴相连，另一端通过动力模组壳体上的传动轴通孔伸出动力模组壳体；磁轮是内部装有永磁体的轮子；磁轮安装在传动轴伸出动力模组壳体外的一端。所述动力装置既可以是电机，也可以是由液压泵、液压回路、液压马达组成的液压装置，还可以是由气泵、气压回路、气动马达组成的气动装置。当动力装置为电机时，控制器为电机供电，并通过调整供电电压的大小、波形、相位中的一种或多种来控制电机输出的动力；当动力装置为由液压泵、液压回路、液压马达组成的液压装置时，液压装置既可以由电源或控制器中的一个供电，也可以由电源和控制器共同供电，控制器通过调控液压泵或液压回路来控制液压马达输出的动力；当动力装置为由气泵、气压回路、气动马达组成的气动装置时，气动装置既可以由电源或控制器中的一个供电，也可以由电源和控制器共同供电，控制器通过调控气泵或气动回路来控制气动马达输出的动力。

进一步地，控制器与特定外界设备既可以采用有线通讯，也可以采用无线通讯，还可以既采用有线通讯又采用无线通讯。电源既可以是电池，也可以是能够连接外部电缆的电气接口，还可以是由电池、电气接口和电源管理电路组成的电池电源系统。当电源为电池电源系统时，可以通过电缆接口连接外部电缆，电源通过外部电缆从外部获取电能，并通过电源管理电路实现下述功能的一种或多种，包括：为电池充电、为控制器供电、为动力装置供电。

前文涉及的一些方法属于现有技术，具体包括：控制器与特定外界设备进行有线通讯和无线通讯的方法，电机、液压装置和气动装置的控制方法，履带式行走、轮式行走和步行式行走的实现方法。因此，尽管未作详细介绍，本领域技术人员依然可以在不付出创造性劳动的前提下想到并实现。

前文提到的术语“安装”、“相连”、“连接”，除另有说明外，应做广义理解，可以是永久性的安装，可以是可拆卸的安装，也可以是通过中间媒介实现的安装；可以是成形连接，可以是螺纹连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述属于在本发明中的具体含义。

本发明具有以下优点：

(1)在软体臂形变与足上柔性结构补偿形变的双重自适应作用下，本发明提供的仿生软体机器人可以很好适应舰船外板的复杂曲面形状；

(2)刮扫足阵列中的刮扫足彼此独立，在各个刮扫足中均有足内永磁体直接为刮扫块提供所需的吸附力，使本发明提供的仿生软体机器人产生的吸附力作用面积大，吸附柔和；

(3)由于行动装置无需为软体臂和刮扫足阵列提供吸附力，行走装置可以精简灵活，从而使本发明提供的仿生软体机器人行动灵活；

(4)通过同时增加软体臂的长度和刮扫足的数量，在保证吸附稳定的前提下，本发明提供的仿生软体机器人容易实现更大的清洁范围。

(5)综上所述，通过引入软体结构并在设计中将清洁装置与软体结构有机结合，本发明提供的仿生软体机器人可以同时实现大机型、吸附可靠、简单灵活和大清洁范围，因而具备较强的移动清洁能力。

附图说明

图1为一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人的整体外形示意图；

图2为一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人的整体底部示意图；

图3为一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人控制器和电源安装在核心舱的核心舱壳体内的示意图；

图4为一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人核心舱的核心舱上盖的示意图；

图5为一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人核心舱的核心舱口盖的示意图；

图6为一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人一个软体臂及其下连接的刮扫足阵列的示意图；

图7为一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人刮扫足的剖视图；

图8为一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人软体臂的软骨架与刮扫足的足体、足上柔性结构一体成型的示意图。

附图标记：

1、核心舱；11、核心舱壳体；111、软体臂安装螺纹孔；112、上盖安装螺纹孔；113、底面螺纹孔；114、壳体电气孔；12、核心舱上盖；121、上盖通孔；122、上盖内螺纹；123、上盖电气孔； 13、核心舱口盖；131、口盖外螺纹；2、软体臂；21、弹性本体； 22、安装肩甲；221、肩甲通孔；23、软骨架；231、骨块；232、脊轴；233、肋柱；234、软骨架安装接头；3、刮扫足阵列；31、刮扫足；311、足体；312、足上柔性结构；313、足内永磁体；314、刮扫块；4、行动装置；41、磁轮；42、动力模组；5、控制器； 6、电源。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1-3所示，一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，其特征在于：包括核心舱1，以悬臂结构安装在核心舱1侧面的软体臂2，连接在软体臂2下侧的刮扫足阵列3，安装在核心舱1 底部的行动装置4，设置在核心舱1内部与行动装置4电连接的控制器5和设置在核心舱1内部与控制器5电连接的电源6；

刮扫足阵列3用于在磁力作用下吸附在船体外板上并带动软体臂 2发生弹性弯曲，刮扫足阵列3用于进行船体外板的清洁，行动装置4 用于在控制器5的控制下带动仿生软体机器人在船体外板移动，电源 6用于为行动装置4和/或控制器5供电；

如图4-5所示，核心舱1为舱式密封结构，核心舱1包括核心舱壳体11、可拆卸的设置在核心舱壳体11上部的核心舱上盖12和可拆卸的设置在核心舱上盖12上部中心的核心舱口盖13，核心舱壳体 11的侧面与软体臂2连接，行动装置4设置在核心舱壳体11下部外侧或者部分设置在核心舱壳体11内部、另一部分从核心舱壳体11内部伸出，控制器5和电源6设置在核心舱壳体11内部，核心舱上盖 12的中部开口，开口处设置开关或者电缆接口，核心舱口盖13用于保护开关或者电缆接口；

如图6所示，软体臂2包括下侧与足上柔性结构312连接的弹性本体21，连接弹性本体21、核心舱1的安装肩甲22和设置在弹性本体21内部的软骨架23，安装肩甲22上设置用于与核心舱1连接的肩甲通孔221，弹性本体21为悬臂结构，软骨架23包括设置在弹性本体21内部的骨块231，骨块231的材料为刚性材料或弹性低于弹性本体21的弹性材料，骨块231用于调定软体臂2的变形特性；

如图7所示，每个刮扫足阵列3包括至少2个刮扫足31，刮扫足31包括足体311，连接足体311与软体臂2的足上柔性结构312 和连接在足体311前端的足内永磁体313、刮扫块314，足内永磁体 313设置在足体311或刮扫块314内部，刮扫块314为刮扫足31的末端；足上柔性结构312用于在足内永磁体313与船体外板产生磁力时发生弹性变形以使刮扫块314适应船体外板形状并贴合在船体外板上，足上柔性结构312的材料为弹性材料，刮扫块314用于清除附着在船体外板上的海洋生物；

每个软体臂2至少连接一个刮扫足阵列3，每个刮扫足阵列3包括线性排成一列或多列的多个刮扫足31，足上柔性结构312为板状结构或杆状结构，足体311与足上柔性结构312为一体成型，刮扫块314 与足体311可拆卸连接，刮扫块314的前端为刃状结构和/或刷丝；

每个刮扫足阵列3包括线性排成两列的多个刮扫足31，其中一列的每个足上柔性结构312与另一列的每个足上柔性结构312交叉设置；

如图8所示，软骨架23还包括呈杆状结构用于抵抗剪切变形的脊轴232和用于连接脊轴232、骨块231的肋柱233和用于连接安装肩甲22、脊轴232的软骨架安装接头234，骨块231分布在脊轴232 的两侧，软骨架23设置在弹性本体21内部下侧，脊轴232和肋柱 233材料均为弹性低于弹性本体21的弹性材料，软骨架安装接头234 为设置有槽口的块状结构体；

软体臂2、足体311和足上柔性结构312的材料为以下任意一种：凝胶、橡胶、硅橡胶和热塑性弹性体；

行动装置4包括设置在核心舱1底部的磁轮41和与磁轮41连接的动力模组42；磁轮41内部设置永磁体，磁轮41用于在动力模组 42的控制下带动仿生软体机器人在船体外板移动；动力模组42与控制器5电连接，动力模组42用于在控制器5驱动下带动磁轮41转动。；

动力模组42包括与控制器5电连接的动力装置和与动力装置连接的传动轴；

动力装置用于产生转矩并输出至传动轴；传动轴与磁轮41连接，传动轴用于带动磁轮41转动；

动力装置为以下任意一种：电机，包括液压泵、液压回路、液压马达的液压装置，包括气泵、气压回路、气动马达的气动装置。

实施例2

一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，包括：核心舱1、软体臂2、刮扫足阵列3、行动装置4、控制器5和电源6。

如图1和图2所示，从外部可以看到本实施例的核心舱1、软体臂2、刮扫足阵列3和行动装置4。在本实施例中，软体臂2的数量为5，五个软体臂2等间隔地安装在核心舱1的侧面外部；每个软体臂2下有一个刮扫足阵列3；每个刮扫足阵列3均由多个刮扫足31 沿两条直线排列而成，每个刮扫足阵列3具体包含刮扫足31的数量为17；行动装置4安装在核心舱1的底面外部，具有两个磁轮41和动力模组42。

在本实施例中，核心舱1包括核心舱壳体11、核心舱上盖12和核心舱口盖13。

图3既展示了本实施例中核心舱壳体11的结构，也展示了控制器5和电源6在核心舱1内的安装位置。如图3所示，核心舱壳体 11侧面外部包括三十个软体臂安装螺纹孔111、五个上盖安装螺纹孔 112、八个底面螺纹孔113和两个壳体电气孔114。在本实施例中，控制器5和电源6安装在核心舱1内部，具体安装在核心舱壳体11内部的底面上；行动装置4安装在核心舱1的底面外部，具体通过底面螺纹孔113安装在核心舱壳体11的底面外部。从控制器5和电源6 引出的导线通过壳体电气孔114与行动装置4进行电气连接。

如图4、5所示，核心舱上盖12上有五个上盖通孔121、一处上盖内螺纹122和一个上盖电气孔123；核心舱口盖13上有一处口盖外螺纹131。将螺钉穿过上盖通孔121旋入上盖安装螺纹孔112，可使核心舱上盖12安装在核心舱壳体11上。将核心舱口盖13的口盖外螺纹131旋入核心舱上盖12的上盖内螺纹122，可使核心舱口盖 13可拆卸地安装在核心舱上盖12上。在本实施例中，电源6是由电池、电缆接口、开关和电源管理电路组成的电池电源系统，其中，开关和电缆接口经上盖电气孔123伸出，并被保护在核心舱口盖13下。拧下核心舱口盖13后，可以通过开关打开或关闭电源，也可以在电缆接口接入外部电缆用于供电。

在本实施例中，行动装置4安装在核心舱1外部，包括两个磁轮 41、两个动力模组42；其中，磁轮41是轮毂内嵌有永磁体的轮子，因而可以产生磁场从而可以吸附船体外板。动力模组42包括动力装置、传动轴和动力模组壳体，动力模组壳体设置有动力模组安装孔和传动轴通孔；动力装置安装在动力模组壳体内部；动力装置具体是一个额定转速为60rpm、额定转矩为40Kg·cm的减速电机；传动轴由 45#钢制成，一端与电机的输出轴通过法兰联轴器相连，另一端通过动力模组壳体上的传动轴通孔伸出动力模组壳体后与磁轮相连；动力模组壳体通过动力模组安装孔安装在核心舱底面外部，具体安装方法是：以螺钉穿过动力模组安装孔并旋入核心舱壳体11的底面螺纹孔 113。在动力模组壳体的传动轴通孔内设置有O型密封圈用以实现轴密封。

在本实施例中，控制器5是以单片机为核心的电路装置，能够驱动并控制行动装置4中的减速电机；控制器5能够通过无线方式与外界特定设备通讯，用于实现下列功能，包括：报告机器人的运行状态、提供机器人所在环境的相关信息、反馈移动清洁作业的执行情况、接受外界设备提供的信息以及接受外部设备给出的指令。

如图6所示，在单个软体臂2下有一个刮扫足阵列3。在图6中可以看到软体臂2的弹性本体21和安装肩甲22，但不能看到被弹性本体21包覆的软骨架23。安装肩甲22上有肩甲通孔221，可与核心舱壳体11外的软体臂安装螺纹孔111通过螺钉连接。刮扫足阵列3 含有的十七个刮扫足31相互交错且排成平行对置的两列，这两列刮扫足31组成了刮扫足阵列3。

如图7所示，刮扫足31包括足体311、足上柔性结构312、足内永磁体313和刮扫块314，其中，足体311是一个具有卡口结构的块状体；足上柔性结构312是由弹性材料制成的板状结构体；刮扫块 314是一个有卡头、方坑与刃状结构的块状体。足体311与足体柔性结构312一体成型；足内永磁体313嵌入刮扫块314的方坑内；刮扫块314与足体311通过卡口卡头结构连接。由于采用卡口卡头结构进行连接，磨损的刮扫块314可以被方便地取下，并以新的刮扫块314 进行替换。

如图8所示，软骨架23包括骨块231，脊轴232，肋柱233和软骨架安装接头234，其中，脊轴232为细长杆状结构体；骨块231为块状结构体，每根软骨架23包括骨块231的数量为17，骨块231相互交错且在脊轴232两侧排成平行对置的两列；肋柱233是细长杆状结构体，肋柱233将骨块231连接至脊轴232的侧面；软骨架安装接头234为设置有槽口的块状结构体，用于与安装肩甲22成型连接。为了方便加工，刮扫足31的足上柔性结构312直接与骨块231相连，使软骨架23、足上柔性结构312及足体311可以一体成型。

在本实施例中，软骨架23、足上柔性结构312及足体311由邵氏硬度为90A的硅橡胶一体成型；弹性本体21由邵氏硬度为20A的硅橡胶制成。

当本实施例的仿生软体机器人贴近船体外板时，足内永磁体313 与外板相互吸引，使刮扫足31向船体外板吸附，直至足体311下的刮扫块314与外板接触；同时，足体311通过足上柔性结构312牵拉软体臂2。在刮扫足阵列3中各个刮扫足31的共同作用下，软体臂2弯曲，实现对船体外板的曲面形状的自适应。软体臂2不必形变至与外板曲面形状完全一致，这是因为在软体臂形变的基础上，软体臂2 下的刮扫足阵列3中的每个刮扫足31都会独立凭借各自的足上柔性结构312的形变实现补偿，使刮扫块314直接接触到船体外板。

当本实施例的仿生软体机器人贴近船体外板时，由于行动装置4 的磁轮41可以产生磁场，磁轮41与外板相互吸引，使磁轮41直接、主动地吸附在外板上。因此，磁轮41与船体外板接触处的正压力稳定而充足，使磁轮41总可以获得足够的摩擦力用以实现机器人在外板上的运动。

当本实施例的仿生软体机器人需要在船体外板上进行移动清洁作业时，动力模组42内的电机在控制器5的控制下运行，带动磁轮 41转动，驱动核心舱1运动。安装在核心舱1外部的软体臂2随即被带动，并通过足上柔性结构312拖动足体311，带动刮扫块314在船体外板上扫刮，从而清除附着在船体外板上的海生物。控制器5可以自主或受遥控地控制行动装置4的电机的运行规律，使本实施例的仿生软体机器人可以在船体外板上按一定规律运行，从而实现对船体外板的移动清洁作业。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，其特征在于：包括核心舱(1)，以悬臂结构安装在所述核心舱(1)侧面的软体臂(2)，连接在所述软体臂(2)下侧的刮扫足阵列(3)，安装在所述核心舱(1)底部的行动装置(4)，设置在所述核心舱(1)内部与所述行动装置(4)电连接的控制器(5)和设置在所述核心舱(1)内部与所述控制器(5)电连接的电源(6)；

所述刮扫足阵列(3)用于在磁力作用下吸附在船体外板上并带动所述软体臂(2)发生弹性弯曲，所述刮扫足阵列(3)用于进行船体外板的清洁，所述行动装置(4)用于在所述控制器(5)的控制下带动仿生软体机器人在所述船体外板移动，所述电源(6)用于为所述行动装置(4)和/或所述控制器(5)供电；

每个所述刮扫足阵列(3)包括至少2个刮扫足(31)，所述刮扫足(31)包括足体(311)，连接所述足体(311)与所述软体臂(2)的足上柔性结构(312)和连接在所述足体(311)前端的足内永磁体(313)、刮扫块(314)，所述足内永磁体(313)设置在所述足体(311)或所述刮扫块(314)内部，所述刮扫块(314)为所述刮扫足(31)的末端；所述足上柔性结构(312)用于在所述足内永磁体(313)与所述船体外板产生磁力时发生弹性变形以使所述刮扫块(314)适应所述船体外板形状并贴合在所述船体外板上，所述足上柔性结构(312)的材料为弹性材料，所述刮扫块(314)用于清除附着在所述船体外板上的海洋生物。

2.根据权利要求1所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，其特征在于：每个所述软体臂(2)至少连接一个所述刮扫足阵列(3)，每个所述刮扫足阵列(3)包括线性排成一列或多列的多个所述刮扫足(31)，所述足上柔性结构(312)为板状结构或杆状结构，所述足体(311)与所述足上柔性结构(312)为一体成型，所述刮扫块(314)与所述足体(311)可拆卸连接，所述刮扫块(314)的前端为刃状结构和/或刷丝。

3.根据权利要求2所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，其特征在于：每个所述刮扫足阵列(3)包括线性排成两列的多个所述刮扫足(31)，其中一列的每个所述足上柔性结构(312)与另一列的每个所述足上柔性结构(312)交叉设置。

4.根据权利要求1所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，其特征在于：所述软体臂(2)、所述足体(311)和所述足上柔性结构(312)的材料为以下任意一种：凝胶、橡胶、硅橡胶和热塑性弹性体。

5.根据权利要求1所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，其特征在于：所述核心舱(1)为舱式密封结构，所述核心舱(1)包括核心舱壳体(11)、可拆卸的设置在所述核心舱壳体(11)上部的核心舱上盖(12)和可拆卸的设置在所述核心舱上盖(12)上部中心的核心舱口盖(13)，所述核心舱壳体(11)的侧面与所述软体臂(2)连接，所述行动装置(4)设置在所述核心舱壳体(11)下部外侧或者部分设置在所述核心舱壳体(11)内部、另一部分从所述核心舱壳体(11)内部伸出，所述控制器(5)和所述电源(6)设置在所述核心舱壳体(11)内部，所述核心舱上盖(12)的中部开口，所述开口处设置开关或者电缆接口，所述核心舱口盖(13)用于保护所述开关或者所述电缆接口。

6.根据权利要求1所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，其特征在于：所述软体臂(2)包括下侧与所述足上柔性结构(312)连接的弹性本体(21)，连接所述弹性本体(21)、所述核心舱(1)的安装肩甲(22)和设置在所述弹性本体(21)内部的软骨架(23)，所述安装肩甲(22)上设置用于与所述核心舱(1)连接的肩甲通孔(221)，所述弹性本体(21)为悬臂结构，所述软骨架(23)包括设置在所述弹性本体(21)内部的骨块(231)，所述骨块(231)的材料为刚性材料或弹性低于所述弹性本体(21)的弹性材料，所述骨块(231)用于调定所述软体臂(2)的变形特性。

7.根据权利要求6所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，其特征在于：所述软骨架(23)还包括呈杆状结构用于抵抗剪切变形的脊轴(232)，用于连接所述脊轴(232)、所述骨块(231)的肋柱(233)和用于连接所述安装肩甲(22)、所述脊轴(232)的软骨架安装接头(234)，所述骨块(231)分布在所述脊轴(232)的两侧，所述软骨架(23)设置在所述弹性本体(21)内部下侧，所述脊轴(232)和所述肋柱(233)材料均为弹性低于所述弹性本体(21)的弹性材料，所述软骨架安装接头(234)为设置有槽口的块状结构体。

8.根据权利要求1所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，其特征在于：所述行动装置(4)包括设置在所述核心舱(1)底部的磁轮(41)和与所述磁轮(41)连接的动力模组(42)；所述磁轮(41)内部设置永磁体，所述磁轮(41)用于在所述动力模组(42)的控制下带动所述仿生软体机器人在所述船体外板移动；所述动力模组(42)与所述控制器(5)电连接，所述动力模组(42)用于在所述控制器(5)驱动下带动所述磁轮(41)转动。

9.根据权利要求8所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，其特征在于：所述动力模组(42)包括与所述控制器(5)电连接的动力装置和与所述动力装置连接的传动轴；

所述动力装置用于产生转矩并输出至所述传动轴；所述传动轴与所述磁轮(41)连接，所述传动轴用于带动所述磁轮(41)转动。

10.根据权利要求9所述的一种用于维持大型舰船船体外板清洁的仿生软体机器人，其特征在于：所述动力装置为以下任意一种：电机，包括液压泵、液压回路、液压马达的液压装置，包括气泵、气压回路、气动马达的气动装置。

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