基于船底清理的多功能水下机器人创新研究

聂晓滨 滕利飞 孙华晨 孙振豪 邓有源

摘 要：长期以来， 由于海洋污损生物栖息而引起的航行阻力剧增。船底赘生生物将使船舶动力损失5%-10%， 且会增加耗油量， 大型船舶清污问题随之产生。针对此类问题， 提出了一种新型船底海洋污损生物智能清理装置的设计方案。通过建立力学模型和磁场理论计算模型， 最终设计出了永磁履带式爬壁船底清理机器人， 可以满足船底清理的要求。

关键词：船底清理; 水下清洁; 涂层保护;多功能水下机器人

目前， 大型船底表面的清理， 大都是通过喷砂、涂防污漆的方式达到防止海洋附着生物的依附， 或者人工方式进行铲除， 但喷砂容易造成厂區附近的空气质量下降， 涂防污漆所生成的化学物质容易污染海洋水质。这不但影响船只使用， 而且容易污染环境。而人工作业劳动强度大， 危险系数高且效率低。

1 背景技术

自从有船舶就有船舶清洗，海洋水下设施和海洋中航行的船舶都不可避免地面临海洋污损生物（动物、植物和微生物）附着的问题，这不仅大大加速了设施和船舶的腐蚀，进而缩短其使用寿命，而且对于航行的船舶而言会显著增加能量的消耗。数据表明，当海洋生物污损率为5%时，船舶阻力就相当于洁净表面的两倍，燃油消耗增加10%。自从有船舶就有船舶清洗，船舶清洗同其他专业清洗领域一样，经历了从原始手工清洗、简单机械烤铲，发展到喷砂、除白、机械清洗、化学清洗。近年来清洗新技术发展较快，造修船工艺要求越来越高，船舶清洗技术与工艺也发生了明显变化，目前船舶清洗所用的方法主要有：高压水射流清洗技术、喷砂清洗、中性无酸清洗、气体喷丸、PIG清洗技术、生物清洗技术、人工处理技术、机器人水下清理技术等都已成功地应用到了船舶清洗领域。

因此，在大型船舶进行大修时，一般都要求将船体上的涂层、结垢和旧的尤其以及铁锈去除，然后再涂上新的油漆，这样才能保证船舶的正常航行和延长其使用寿命。目前，船体外壳上涂层、垢层的清除，还有的是工人手执锤子铲子进行敲打和铲刮，因垢层坚硬致密且面积大，维修工期长，工人劳动强度大。

目前最先进的技术是利用高压水射流技术对船舶进行清洗和除锈除油漆工作，该项技术成果已成功应用于船舶行业。该技术的工作原理是利用高压水泵，将普通水的压力提高至40～250MPa，单枪流量约为20～39L/min，从喷嘴射出，形成超高压水射流或磨料水射流。利用水射流的强大冲击力、冲蚀力和剥离能力，能快速地将涂层、结垢、铁锈和油漆去除干净。在清洗时，可采用纯水射流清洗和磨料水射流清洗两种方式。采用纯水清洗时，水射流的压力很高，可采用旋转喷头，清洗速度快，设备简单。采用磨料水射流清洗时，水射流的压力相对较小，磨料为便宜的石英砂，操作现对复杂一些。利用高压水射流技术对船舶进行清洗是一种高效高质量快捷的维修维护方法，但是对于大型设备或大型船只而言无法在水中实现清洗，即使是小型船只也需要将船只脱离水面后再进行清理作业，工序繁杂，人工浪费较大。

2 技术实现要素

主要解决的技术问题是：针对传统海洋船舶船底清洗难以在水中完成清洗，需要将船体脱离水面后再进行清理作业，工序繁杂，人工浪费较大的问题，提供了一种海洋船舶船底清洗机器人。

一种海洋船舶船底清洗机器人，其特征在于：包括壳体，壳体最前端两侧分别安装有照明灯，照明灯之间安装有摄像头，壳体底部最上端安装有超声波清洗器，超声波清洗器两侧分别连接有超声波清洗探头，壳体底部安装有四个磁吸轮，磁吸轮通过皮带传动，其中一侧的皮带与传动轴相连，传动轴与驱动电机相连，在壳体中央两侧分别安装有清洗刷，清洗刷附近安装有音频接收器，在壳体尾部安装有连接绳索固定环;

（1）海洋船舶船底清洗机器人利用磁吸作用，无须使船舶脱离水面，即可完成对船舶水下部分的清洗工作，使用方便，且在船体运行过程中也可以顺利完成清洗和回收工作，在工作过程中，利用清洗刷与超声空化作用配合，使船舶表面粘附的杂质剥离，实现对船底的无损清洗;

（2）海洋船舶船底清洗机器人配备摄像头和照明装置，通过查看屏幕，就能够使用遥控器上的方向按键控制机器人移动清洁，还能够检查船体状况，同时机器人还配备回收气囊，防止发生意外导致机器人回收失败的问题;

（3）通过在清洗刷旁安装音频接收器，在清洗刷工作过程中，清洗刷切入船舶表面的深浅决定了其声调的高低，开始声音尖锐而高，随着清洗刷和船舶接触得越来越多，声音开始变得混沌低沉，通过检测声音声调的高低，方便工作人员了解清洗刷清洗力度是否合适。

在运行过程中，磁吸轮使清洗机器人牢固吸附于钢铁船舶表面，运行至水下部分时，照明灯提供水下照明，便于摄像头采集水下船体表面杂质吸附情况的图像，反馈给船面工作人员，工作人员根据实际情况，控制清洗机器人走向，在清洗时，音频接收器接收清洗刷工作时产生的声音，船面工作人员根据传回的声音，判定清洗完成情况及清洗难以程度，从而调节清洗刷转动速率，同时可控制开启超声波清洗器，协助完成对杂质的清洗工作，随后工作人员通过连接绳索固定环上安装的绳索将清洗机器人快速回收，若在工作过程中，绳索断裂导致回收失败，可触发安全回收气囊中进入少量水，水与气囊中产气化学物质反应而使安全回收气囊充气，从而使清洗机器人浮出水面，经人工打捞后回收。

3 工作原理

本装置是一种通过搭载船底的切割清除装置， 且具备吸附能力、负载能力。本船底海洋污损生物智能清理装置包括壳体、传动机构、控制装置、清洁装置、行走转向装置、吸附装置及驱动装置， 各装置协同配合， 实现人机交互的智能水下清洁， 对船体附着植物、贝类、表面淤泥污物的全面清理。本装置本船底海洋污损生物智能清理装置包括机体、传动机构、控制装置、清洁装置、行走转向装置、吸附装置及驱动装置。

控制装置：水下摄像头通过计算机成像， 通过观察水下船底实际情况， 手动遥控控制机器人的清扫， 切割， 转向等多种操作， 通过机械臂控制铲斗移动， 翻转对藻类的清扫以及切割滚齿对上下移动对硬壳类生物进行切割。

清洁装置：主要由铲斗、切割滚齿及纤维滚柱三部分构成。首先通过铲斗对船底附着的海藻进行初步的清扫， 防止海藻等生物过多造成切割不便， 后续切割圆筒对硬壳类等吸附生物进行纵向切割， 切割完成后， 由纤维滚柱对清理后的船底进行细化清扫打磨。

行走转向装置：由履带构成， 履带由若干永磁吸附单元连接形成， 由电机完成驱动。而转向利用两侧履带行进的速度不同形成转速差， 进而完成转速。

吸附装置：若干永磁吸附单元连接而成， 形成较大的吸附力， 可直接吸附到船底。

驱动装置：主要由控制精确， 反应速度快的交流伺服电机进行驱动。

在保证机器人沿船舶壁面正常直行的前提下， 驱动单元提供的驱动转矩需满足：

4结语

本作品研究开发了一种针对解决船底污物的问题， 作品具有以下优势与创新点：对比一些水下空化水射流的装置而言， 本装置造成附着生物的船体材料和防护涂层脱落损伤， 更好的保护了船体， 同时， 对海洋环境也不会造成污染。通过水下摄像机连接计算机终端进行成像， 可以直接反馈出水下情况， 实现人机交互， 准确遥控机器人精准清洁作业。为了保护海洋环境， 积极响应国家对海洋污染的治理等政策。在国家建设交通强国、海洋强国、智慧中国的大背景下， 本装置代替其他方式应用于船底污物的应用更加实际。本装置可用于国内外各大港口， 低成本， 高清洁， 高效率的特点能迅速占领船舶清理市场。

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