基于船底清理的多功能水下機(jī)器人創(chuàng)新研究

聶曉濱 滕利飛 孫華晨 孫振豪 鄧有源

摘 要：長(zhǎng)期以來(lái)， 由于海洋污損生物棲息而引起的航行阻力劇增。船底贅生生物將使船舶動(dòng)力損失5%-10%， 且會(huì)增加耗油量， 大型船舶清污問(wèn)題隨之產(chǎn)生。針對(duì)此類問(wèn)題， 提出了一種新型船底海洋污損生物智能清理裝置的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)建立力學(xué)模型和磁場(chǎng)理論計(jì)算模型， 最終設(shè)計(jì)出了永磁履帶式爬壁船底清理機(jī)器人， 可以滿足船底清理的要求。

關(guān)鍵詞：船底清理; 水下清潔; 涂層保護(hù);多功能水下機(jī)器人

目前， 大型船底表面的清理， 大都是通過(guò)噴砂、涂防污漆的方式達(dá)到防止海洋附著生物的依附， 或者人工方式進(jìn)行鏟除， 但噴砂容易造成廠區(qū)附近的空氣質(zhì)量下降， 涂防污漆所生成的化學(xué)物質(zhì)容易污染海洋水質(zhì)。這不但影響船只使用， 而且容易污染環(huán)境。而人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大， 危險(xiǎn)系數(shù)高且效率低。

1 背景技術(shù)

自從有船舶就有船舶清洗，海洋水下設(shè)施和海洋中航行的船舶都不可避免地面臨海洋污損生物（動(dòng)物、植物和微生物）附著的問(wèn)題，這不僅大大加速了設(shè)施和船舶的腐蝕，進(jìn)而縮短其使用壽命，而且對(duì)于航行的船舶而言會(huì)顯著增加能量的消耗。數(shù)據(jù)表明，當(dāng)海洋生物污損率為5%時(shí)，船舶阻力就相當(dāng)于潔凈表面的兩倍，燃油消耗增加10%。自從有船舶就有船舶清洗，船舶清洗同其他專業(yè)清洗領(lǐng)域一樣，經(jīng)歷了從原始手工清洗、簡(jiǎn)單機(jī)械烤鏟，發(fā)展到噴砂、除白、機(jī)械清洗、化學(xué)清洗。近年來(lái)清洗新技術(shù)發(fā)展較快，造修船工藝要求越來(lái)越高，船舶清洗技術(shù)與工藝也發(fā)生了明顯變化，目前船舶清洗所用的方法主要有：高壓水射流清洗技術(shù)、噴砂清洗、中性無(wú)酸清洗、氣體噴丸、PIG清洗技術(shù)、生物清洗技術(shù)、人工處理技術(shù)、機(jī)器人水下清理技術(shù)等都已成功地應(yīng)用到了船舶清洗領(lǐng)域。

因此，在大型船舶進(jìn)行大修時(shí)，一般都要求將船體上的涂層、結(jié)垢和舊的尤其以及鐵銹去除，然后再涂上新的油漆，這樣才能保證船舶的正常航行和延長(zhǎng)其使用壽命。目前，船體外殼上涂層、垢層的清除，還有的是工人手執(zhí)錘子鏟子進(jìn)行敲打和鏟刮，因垢層堅(jiān)硬致密且面積大，維修工期長(zhǎng)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。

目前最先進(jìn)的技術(shù)是利用高壓水射流技術(shù)對(duì)船舶進(jìn)行清洗和除銹除油漆工作，該項(xiàng)技術(shù)成果已成功應(yīng)用于船舶行業(yè)。該技術(shù)的工作原理是利用高壓水泵，將普通水的壓力提高至40～250MPa，單槍流量約為20～39L/min，從噴嘴射出，形成超高壓水射流或磨料水射流。利用水射流的強(qiáng)大沖擊力、沖蝕力和剝離能力，能快速地將涂層、結(jié)垢、鐵銹和油漆去除干凈。在清洗時(shí)，可采用純水射流清洗和磨料水射流清洗兩種方式。采用純水清洗時(shí)，水射流的壓力很高，可采用旋轉(zhuǎn)噴頭，清洗速度快，設(shè)備簡(jiǎn)單。采用磨料水射流清洗時(shí)，水射流的壓力相對(duì)較小，磨料為便宜的石英砂，操作現(xiàn)對(duì)復(fù)雜一些。利用高壓水射流技術(shù)對(duì)船舶進(jìn)行清洗是一種高效高質(zhì)量快捷的維修維護(hù)方法，但是對(duì)于大型設(shè)備或大型船只而言無(wú)法在水中實(shí)現(xiàn)清洗，即使是小型船只也需要將船只脫離水面后再進(jìn)行清理作業(yè)，工序繁雜，人工浪費(fèi)較大。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素

主要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)傳統(tǒng)海洋船舶船底清洗難以在水中完成清洗，需要將船體脫離水面后再進(jìn)行清理作業(yè)，工序繁雜，人工浪費(fèi)較大的問(wèn)題，提供了一種海洋船舶船底清洗機(jī)器人。

一種海洋船舶船底清洗機(jī)器人，其特征在于：包括殼體，殼體最前端兩側(cè)分別安裝有照明燈，照明燈之間安裝有攝像頭，殼體底部最上端安裝有超聲波清洗器，超聲波清洗器兩側(cè)分別連接有超聲波清洗探頭，殼體底部安裝有四個(gè)磁吸輪，磁吸輪通過(guò)皮帶傳動(dòng)，其中一側(cè)的皮帶與傳動(dòng)軸相連，傳動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，在殼體中央兩側(cè)分別安裝有清洗刷，清洗刷附近安裝有音頻接收器，在殼體尾部安裝有連接繩索固定環(huán);

（1）海洋船舶船底清洗機(jī)器人利用磁吸作用，無(wú)須使船舶脫離水面，即可完成對(duì)船舶水下部分的清洗工作，使用方便，且在船體運(yùn)行過(guò)程中也可以順利完成清洗和回收工作，在工作過(guò)程中，利用清洗刷與超聲空化作用配合，使船舶表面粘附的雜質(zhì)剝離，實(shí)現(xiàn)對(duì)船底的無(wú)損清洗;

（2）海洋船舶船底清洗機(jī)器人配備攝像頭和照明裝置，通過(guò)查看屏幕，就能夠使用遙控器上的方向按鍵控制機(jī)器人移動(dòng)清潔，還能夠檢查船體狀況，同時(shí)機(jī)器人還配備回收氣囊，防止發(fā)生意外導(dǎo)致機(jī)器人回收失敗的問(wèn)題;

（3）通過(guò)在清洗刷旁安裝音頻接收器，在清洗刷工作過(guò)程中，清洗刷切入船舶表面的深淺決定了其聲調(diào)的高低，開(kāi)始聲音尖銳而高，隨著清洗刷和船舶接觸得越來(lái)越多，聲音開(kāi)始變得混沌低沉，通過(guò)檢測(cè)聲音聲調(diào)的高低，方便工作人員了解清洗刷清洗力度是否合適。

在運(yùn)行過(guò)程中，磁吸輪使清洗機(jī)器人牢固吸附于鋼鐵船舶表面，運(yùn)行至水下部分時(shí)，照明燈提供水下照明，便于攝像頭采集水下船體表面雜質(zhì)吸附情況的圖像，反饋給船面工作人員，工作人員根據(jù)實(shí)際情況，控制清洗機(jī)器人走向，在清洗時(shí)，音頻接收器接收清洗刷工作時(shí)產(chǎn)生的聲音，船面工作人員根據(jù)傳回的聲音，判定清洗完成情況及清洗難以程度，從而調(diào)節(jié)清洗刷轉(zhuǎn)動(dòng)速率，同時(shí)可控制開(kāi)啟超聲波清洗器，協(xié)助完成對(duì)雜質(zhì)的清洗工作，隨后工作人員通過(guò)連接繩索固定環(huán)上安裝的繩索將清洗機(jī)器人快速回收，若在工作過(guò)程中，繩索斷裂導(dǎo)致回收失敗，可觸發(fā)安全回收氣囊中進(jìn)入少量水，水與氣囊中產(chǎn)氣化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)而使安全回收氣囊充氣，從而使清洗機(jī)器人浮出水面，經(jīng)人工打撈后回收。

3 工作原理

本裝置是一種通過(guò)搭載船底的切割清除裝置， 且具備吸附能力、負(fù)載能力。本船底海洋污損生物智能清理裝置包括殼體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制裝置、清潔裝置、行走轉(zhuǎn)向裝置、吸附裝置及驅(qū)動(dòng)裝置， 各裝置協(xié)同配合， 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的智能水下清潔， 對(duì)船體附著植物、貝類、表面淤泥污物的全面清理。本裝置本船底海洋污損生物智能清理裝置包括機(jī)體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制裝置、清潔裝置、行走轉(zhuǎn)向裝置、吸附裝置及驅(qū)動(dòng)裝置。

控制裝置：水下攝像頭通過(guò)計(jì)算機(jī)成像， 通過(guò)觀察水下船底實(shí)際情況， 手動(dòng)遙控控制機(jī)器人的清掃， 切割， 轉(zhuǎn)向等多種操作， 通過(guò)機(jī)械臂控制鏟斗移動(dòng)， 翻轉(zhuǎn)對(duì)藻類的清掃以及切割滾齒對(duì)上下移動(dòng)對(duì)硬殼類生物進(jìn)行切割。

清潔裝置：主要由鏟斗、切割滾齒及纖維滾柱三部分構(gòu)成。首先通過(guò)鏟斗對(duì)船底附著的海藻進(jìn)行初步的清掃， 防止海藻等生物過(guò)多造成切割不便， 后續(xù)切割圓筒對(duì)硬殼類等吸附生物進(jìn)行縱向切割， 切割完成后， 由纖維滾柱對(duì)清理后的船底進(jìn)行細(xì)化清掃打磨。

行走轉(zhuǎn)向裝置：由履帶構(gòu)成， 履帶由若干永磁吸附單元連接形成， 由電機(jī)完成驅(qū)動(dòng)。而轉(zhuǎn)向利用兩側(cè)履帶行進(jìn)的速度不同形成轉(zhuǎn)速差， 進(jìn)而完成轉(zhuǎn)速。

吸附裝置：若干永磁吸附單元連接而成， 形成較大的吸附力， 可直接吸附到船底。

驅(qū)動(dòng)裝置：主要由控制精確， 反應(yīng)速度快的交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

在保證機(jī)器人沿船舶壁面正常直行的前提下， 驅(qū)動(dòng)單元提供的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需滿足：

4結(jié)語(yǔ)

本作品研究開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)解決船底污物的問(wèn)題， 作品具有以下優(yōu)勢(shì)與創(chuàng)新點(diǎn)：對(duì)比一些水下空化水射流的裝置而言， 本裝置造成附著生物的船體材料和防護(hù)涂層脫落損傷， 更好的保護(hù)了船體， 同時(shí)， 對(duì)海洋環(huán)境也不會(huì)造成污染。通過(guò)水下攝像機(jī)連接計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行成像， 可以直接反饋出水下情況， 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互， 準(zhǔn)確遙控機(jī)器人精準(zhǔn)清潔作業(yè)。為了保護(hù)海洋環(huán)境， 積極響應(yīng)國(guó)家對(duì)海洋污染的治理等政策。在國(guó)家建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)、海洋強(qiáng)國(guó)、智慧中國(guó)的大背景下， 本裝置代替其他方式應(yīng)用于船底污物的應(yīng)用更加實(shí)際。本裝置可用于國(guó)內(nèi)外各大港口， 低成本， 高清潔， 高效率的特點(diǎn)能迅速占領(lǐng)船舶清理市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]胡紹杰.履帶式船舶除銹爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)及其吸附單元優(yōu)化研究[D].南華大學(xué)， 2018.

[2]Huang H， Li D， Xue Z， et al Design and performance analysis of a tracked wall-climbing robot for ship inspection in ship building[J].Ocean Engineering， 2017， 131：224-230.

[3]Wen.si， DING， Xinghao WANG， et al.Structural design of permanent.Magnet adsorption tracked ship wall-climbing robot[J].Machine Tool&Hydraulics， 2016 （6） ：6-11.

[4]丁問(wèn)司， 汪興潮， 唐昌滔.永磁吸附履帶式船舶爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （英文） [J].機(jī)床與液壓， 2016， 44 （06） ：6-11.

[5]薛珊， 馮志強(qiáng)， 徐龍， 等.基于ANSYS的爬壁機(jī)器人永磁吸附單元研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化， 2016， 38 （08） ：22-25.