水下清洗机器人设计综述

周玲

摘 要：清洗机器人为我国水下作业机械设备的高效运行提供了基础保障，不仅降低了返坞清洗的成本和对环境造成的污染，而且还缓解了船舶不足的问题。水下清洗机器人的设计研发是我国机器人智能化发展的重要技术趋势，文章对清洗机器人设计进行了综述，为研究水下清洗机器人设计工作提供了有利的依据。

关键词：水下；清洗机器人；设计；综述

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.059

在我国海洋开发业发展的过程中，海洋钻井平台支架、海洋浮标、船舶以及潜水器等机械设备发挥了重要的作用。但是由于长期处于海水中会受到海水的腐蚀，并且附着大量的贝类、海藻等浮游生物，不仅会破坏机械设备使用的安全性，还会降低使用寿命。如果利用人工进行清洗，不仅工作效率低、成本高，而且还存在较高的风险。而水下清洗机器人具有船底探伤、常规性检测以及清洗等功能，成为水下清洗工作的重要设备。近些年来，国内外众多科学家和学者在水下清洗机器人设计方面进行了大量的研究，在技术上有了很大的进步和发展，为水下清洗机器人的发展奠定了良好的基础。

1 水下清洗机器人可靠性研究

水下清洗机器人在工作的过程中，会受到水流动力以及压力流场的影响而改变航行的方向，从而对预定运行轨迹产生一定的影响，不利于清洗工作的高效完成。

河北工业大学武建国等人[1]等对船壁清洗水下机器人水动力分析与试验研究进行了探索，所研究的清洗机器人具有模块化、功能多样化和可移动的特点。因为水下清洗机器人工作任务比较复杂，需要在水中进行上下左右的移动，那么就要对动力学进行研究。文章开始从动力学方程模型、ROV水动力性能、压力流场结构三个方面对水动力性能进行了分析。经过对机器人在直航、下潜和横移三种不同航行状态下的压力流场进行分析，得出最大受力面上的阻力大小比较均匀，从而说明机器人在运行过程中具有很强的稳定性和可靠性，为后期的清洗机器人软硬件设计提供了可供参考的依據。该机器人在硬软件控制系统设计中，控制系统体系结构主要由五个主要控制节点，采用总线型分布式控制的方式，微控制器以LPC2129为核心，软件设计中采用CAN总线在线编辑器设计。经过后期的试验表明，采用文中所述方法设计的清洗机器人在实际行走总路程与目标总路程之间的误差较小，经过调整后有所改进，最终水池试验结果与预期效果一致。

2 吸附爬壁机器人

水下爬壁机器人在清洗工作过程中需要牢固的吸附在壁面上，但是由于水下机械设备材料的不同，对机器人的吸附力就会产生不同的影响，所以如何平衡机器人吸附力以及灵活性成为重要的研究问题，爬壁机器人采用的吸附方法主要有真空吸附、磁吸附、推力吸附、干性粘着剂材料吸附。

河南工业大学的王立柱[2]对水下爬壁机器人变磁力脚吸盘吸附特性进行研究，磁力吸附的强弱与机器人的稳定性成正比，与灵活性成反比，所以作者对变磁力脚吸盘作为爬壁机器人的一种新型吸附装置进行研究。经过大量的研究分析，最终确定了选择稀土永磁材料汝铁硼作为吸附材料，驱动方式为步进电机驱动脚吸盘，以丝杠螺母机构为脚吸盘的传动机构，用O形圈为静密封，格莱圈为动密封。在设计完成后，利用MATLAB软件，ANSYS软件，对爬壁机器人的力学模型和不同吸附间隙下的磁吸附力大小进行仿真分析，通过不断的试验和改进，最终设计了爬壁机器人控制系统硬件和软件，为我国水下机器人吸附装置性能的提升具有重要意义。

北京石油化工学院的杨海强[3]对水下推力吸附式爬壁机器人样机进行了研究，他所设计的爬壁机器人样机吸附方式采用了推力吸附，推力吸附对吸附避免的材料和形状都具有很强的适应性，并且螺旋桨在水中的敞水效果较好，可以产生较大的吸附力。在移动方式上采用了车轮式结构，与螺旋桨产生的吸附力相配合，在转弯和移动方面具有很强的灵活性。

3 螺旋桨清洗机器人

螺旋桨是轮船中的重要组成部分，对螺旋桨的清洗质量直接关系到轮船的航行效率和燃油的消耗。而由于螺旋桨结构比较特殊，所以要求清洗机器人具有很强的灵活性。

重庆交通大学的王晴[4]对螺旋桨清洗机器人超灵巧机械臂设计与性能进行了研究，其选定水射流为清洗介质，利用仿生学原理对传统机器人进行改进，改进后的机器人具有章鱼的吸附特点，并且同时具有高灵活性与高承载能力的刚柔耦合HDM机械臂。在利用ADAMS软件对刚性部件、柔性部件、绳索型部件进行刚柔耦合运动学仿真，进一步验证了理论模型的有效性。后期进行材料的选择，然后对机器人在空载加压状态下进行试验，结论证实了模型的正确性和有效性。

4 海洋平台导管架清洗机器人

钻采平台作为海洋石油开采的重要设备，导管架长期浸泡在海水中会附着大量的海生物，对安全生产构成严重的威胁。利用清洗机器人对导管架上的海生物进行清洗，可提高钻采工作的安全性。

天津职业技术师范大学的王英飞[5]对海洋平台导管架海生物清洗机器人进行了研究，在整体集成化的设计思想上，采用三指夹持机构与电磁吸附相结合作为吸附机构，为了保证高压水射流入射角与靶距的稳定性，采用五自由度喷枪运动执行器。在经过三维建模以及仿真分析后，其结构设计具有很强的实用性。

5 小结

水下清洗机器人的发展前景比较广阔，为了确保机器人运行的更加稳定，在吸附力、移动方式、密封、作业等方面还会不断的研究，随着仿生学、物理学、微机电、高分子材料等新技术、新材料的发展，水下清洗机器人在性能上会不断改善。

参考文献：

[1]武建国，刘冬，王晓鸣，林兴华，刘海涛.船壁清洗水下机器人水动力分析与试验研究[J].船舶工程，2018，03（25）.

[2]王立柱.水下爬壁机器人变磁力脚吸盘吸附特性的研究[D].河南工业大学，2012，5（01）.

[3]杨海强.水下推力吸附式爬壁机器人样机研究[D].北京石油化工学院，2015，6（19）.

[4]王晴.螺旋桨清洗机器人超灵巧机械臂设计与性能研究[D].重庆交通大学，2017，4（14）.

[5]王英飞.海洋平台导管架海生物清洗机器人研究[D].天津职业技术师范大学，2015，3（01）.