一种水下船体清洗机器人的吸附和驱动装置及其工作方法与流程

本发明涉及rov技术，具体涉及一种水下船体清洗机器人的吸附和驱动装置及其工作方法。

背景技术：

海洋生物长期附着在船舶表面会大大增加船舶阻力，使船舶降速约10％，油耗增加最大可达40％，严重耽误航期，增大运营成本。我国大型船坞数量不足，修坞周期长，目前，清洗船体表面附着物是实现船舶节能减排的主要手段。而全球船舶行业每年的船舶清洗费用接近100亿美元。大型货轮在干船坞内清洗费用高达30万元。作为一项临时措施，许多船东派遣潜水员检查船体并清除生物污垢，这些潜水员使用刮板和洗涤器手动清洁船体，水下清洗作业的特点是极端恶劣的工作环境。此外，潜水员在水下的身体承受能力有限，操作时间和范围同样受限，导致其工作效率低，清洗质量难以保证，而且一旦破坏防污漆会释放大量有毒物质，使船舶更容易受到生物污染。还存在疾病和事故隐患，费时费力且风险高。燃料消耗并不是生物污染造成的唯一威胁。一部分海洋生物可以将自己固定在船上并前往其他地区。尽管有时无害，但这可能会导致物种入侵。

为了提高水下船体的清洗效率和清洗效果，中国专利cn201620916527.3公开了一种水下船体清洗机器人，其包括若干个吸附组件、机器人本体、若干个轮式组件、清洗机构和控制机构；所述吸附组件包含永磁体、导杆、导杆弹簧和若干个万向轴承。本实用新型结构简单，成本低廉，其采用非接触性永磁吸附方式，同时使用轮式结构进行运动，能耗可大幅降低，同时轮式结构运动快，转弯灵活，能大幅提高清洗效率。

但是，该机器人采用轮式驱动和永磁铁吸附，吸附形式单一，容易受到船体表面材质的限制、在船体表面移动效率低，轮式结构非常容易打滑，控制精度低。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能驱动灵活、吸附可靠的水下船体清洗机器人的吸附和驱动装置及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种水下船体清洗机器人的吸附和驱动装置，包括履带模块和驱动模块、控制模块和框架；

所述的框架包括首部和主体，首部为菱形体，主体为矩形体，首部与主体固定连接；

所述的履带模块有两个，分别安装在主体的左右两侧；所述的履带模块内部固定安装电磁铁，所述的电磁铁通过控制线与控制模块连接；所述的履带模块的橡胶履带外表面凹齿处固定安装永磁铁；

所述的驱动模块包括五个垂直推进器、两个纵向推进器和一个侧向推进器；所述的五个垂直推进器包括一个首部垂直推进器和四个主体垂直推进器，所述的首部垂直推进器垂直安装在首部的中心轴线上，所述的四个主体垂直推进器分别垂直安装在主体的四个角部；所述的两个纵向推进器分别对称安装在主体尾部的两侧，所述的侧向推进器横向安装在首部；

所述的控制模块安装在密封控制舱内，密封控制舱安装在主体的上部；

所述的控制模块通过数据线分别与履带模块和驱动模块连接，控制模块通过载波线与岸上控制中心连接。

进一步地，所述的垂直推进器、纵向推进器和侧向推进器均通过各自的整流罩安装在相应的部位上。

进一步的，所述的首部由首部顶板与两块首部侧板固定连接组成菱形体，首部顶板与主体顶板交界处成135度夹角；两侧首部侧板与主体侧板固定，首部侧板与主体侧板交界处成135度夹角。

进一步的，所述的履带模块包括橡胶履带、前驱动轮、后驱动轮和减速电机，所述的前驱动轮通过轮轴安装在主体的前部，后驱动轮通过轮轴安装在主体的后部，橡胶履带环绕在前驱动轮和后驱动轮上；

所述的前驱动轮的外侧设置驱动链轮，所述的驱动链轮与前驱动轮固定连接，所述的驱动链轮通过链条与减速电机上的减速链轮连接，所述的减速电机固定在主体侧板上，减速电机通过数据线与控制模块连接；

所述的主体侧板上分别固定安装轮轴、履带纵方向支撑杆和定位板固定杆的一端，所述的轮轴、履带纵方向支撑杆和定位板固定杆的另一端固定安装在履带侧向固定板上，所述的履带侧向固定板与履带模块连接；

所述的定位板固定杆上固定安装履带支撑轮定位板，所述的履带支撑轮定位板下方安装履带支撑轮，所述的履带支撑轮与橡胶履带内侧滚动接触、对橡胶履带起到支撑作用；

所述的履带支撑轮定位板与主体侧板之间固定安装电磁铁，所述的电磁铁通过控制线与控制模块连接；

所述的橡胶履带外表面凹齿处固定安装永磁铁。

进一步的，所述的前驱动轮和后驱动轮均通过履带驱动齿与橡胶履带啮合。

进一步的，所述的前驱动轮的轮轴和后驱动轮的轮轴上均设置环轴限位器。

进一步的，所述的驱动模块的结构为左右对称结构。

进一步的，所述的前驱动轮、后驱动轮、履带支撑轮定位板和履带侧向固定板采用高密度聚乙烯材料制成。

进一步的，所述永磁铁长度120mm宽度10mm高度5mm，磁力大小15n，中部两侧开有两个4mm直径孔位用于安装螺丝使其固定在橡胶履带外表面凹齿处；所述电磁铁长75mm宽35mm高23mm，24v供电，最大吸附力为机器人在水下所受向下方向力的两倍。

一种水下船体清洗机器人的吸附和驱动装置的工作方法，包括以下步骤：

a、靠近船体表面

通过上位机发送控制信号到控制模块，控制模块再将控制信号处理后对驱动模块的各个推进器进行控制，通过不断调整机器人位姿，使得机器人自由移动到水下船体表面且机器人底部靠近船体表面；

b、吸附到船体表面上

操作人员根据船体表面的材质和海流情况设定机器人的吸附形式，如果船体表面为含铁金属表面，在海流湍急或船体移动的情况下采用混合吸附形式，转步骤b1，在海流缓和或船体静止的情况下采用磁力吸附形式，转步骤b2；否则采用推力吸附形式，转步骤b3；

b1、根据使用条件选择以下混合吸附形式分之一：

b11、在最极端的强海流情况下：永磁铁与电磁铁磁力方向一致，推进器推力方向向外即垂直于船体表面向外，吸附力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的7-8倍；转步骤c；

b12、在一般海流情况下：电磁铁不工作，推进器推力方向向外，吸附力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的4-5倍；转步骤c；

b2、永磁铁与电磁铁磁力方向相同，推进器不工作，吸附力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的4-5倍；转步骤c；

b3、对于非金属船体表面采用推力吸附形式，此时电磁铁不工作，推进器推力方向向外，吸附力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的1-2倍；或者拆卸永磁铁减轻重力影响。

c、在船体船体表面移动

当机器人吸附在船体表面时，上位机通过控制模块控制减速电机的转速与转向，减速电机通过链条带动后驱动轮转动，从而驱动机器人在船体表面进行履带式移动；机器人的转向通过履带差速转动实现；

d、脱离船体表面

在进行完清洗工作后，需脱离船体表面，操作人员根据机器人的吸附形式设定机器人的脱离形式，如果是混合吸附形式下转步骤d1，如果是磁力吸附形式下转步骤d2，如果是推力吸附形式转步骤d3；

d1、通过控制模块控制电磁铁与永磁铁的磁力方向相反，推进器的推力方向向内即垂直于船体表面向内，排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的4-5倍，净排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的2-3倍；

d2、通过控制模块控制电磁铁与永磁铁的磁力方向相反，推进器不工作，排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的2-3倍，净排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的0.9-1.1倍；

d3、通过控制模块控制推进器的推力方向向内即垂直于船体表面向内，永磁铁与电磁铁不工作，排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的1-2倍，净排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的0.9-1.1倍。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明提出的履带表面与船体表面接触面积大，不易打滑，相对轮式结构履带结构能带来更高的稳定性，再者履带表面更容易安装永磁铁，易于实现磁力吸附功能。

2、本发明的履带驱动轮、履带支撑轮定位板和履带侧向固定板采用高密度聚乙烯材料，与传统的金属固定件相比，具有成本低，重量轻，易维护等优点。

3、本发明采用永磁铁与电磁铁搭配使用方式，永磁铁提供稳定吸附力，通过控制电磁铁的磁力大小与磁力方向来解决永磁铁履带难以脱离金属壁面的难题，且通过增大电磁铁的磁力大小，同时使电磁铁磁力方向与永磁铁磁力方向相同，从而在水流湍急的情况下增加履带模块对壁面的吸附力大小，使得机器人具有高度的工作稳定性；通过增大电磁铁的磁力大小，同时电磁铁磁力方向与永磁铁磁力方向相反，以此抵消永磁铁对船壁的吸附作用，使得机器人更容易在清洗工作结束后脱离船体表面。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2是图1的侧向剖面图；

图3是图1的尾部背视示意图；

图4是图1的仰视示意图；

图5为本发明履带模块示意图；

图6为本发明履带侧视图；

图7为本发明履带支撑轮定位板示意图。

图中：1、主体垂直推进器，2、密封控制舱，3、主体侧板，4、橡胶履带，5、后驱动轮，6、履带侧向固定板，7、履带支撑轮，8、定位板固定杆，9、前驱动轮、10、轮轴，11、首部侧板，12、首部顶板，13、首部垂直推进器，14、永磁铁，15、侧向推进器，16、纵向推进器，17、驱动链轮，18、环轴限位器，19、链条，20、减速链轮，21、减速电机，22、电磁铁，23、履带支撑轮定位板，24、履带纵方向支撑杆。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

一种水下船体清洗机器人的吸附和驱动装置，包括履带模块和驱动模块、控制模块和框架；

所述的框架包括首部和主体，首部为菱形体，主体为矩形体，首部与主体固定连接；

所述的履带模块有两个，分别安装在主体的左右两侧；所述的履带模块内部固定安装电磁铁22，所述的电磁铁22通过控制线与控制模块连接；所述的履带模块的橡胶履带4外表面凹齿处固定安装永磁铁14；

所述的驱动模块包括五个垂直推进器、两个纵向推进器16和一个侧向推进器15；所述的五个垂直推进器包括一个首部垂直推进器13和四个主体垂直推进器1，所述的首部垂直推进器13垂直安装在首部的中心轴线上，所述的四个主体垂直推进器1分别垂直安装在主体的四个角部；所述的两个纵向推进器16分别对称安装在主体尾部的两侧，所述的侧向推进器15横向安装在首部；

所述的控制模块安装在密封控制舱2内，密封控制舱2安装在主体的上部；

所述的控制模块通过数据线分别与履带模块和驱动模块连接，控制模块通过载波线与岸上控制中心连接。

进一步地，所述的垂直推进器、纵向推进器16和侧向推进器15均通过各自的整流罩安装在相应的部位上。

进一步的，所述的首部由首部顶板12与两块首部侧板11固定连接组成菱形体，首部顶板12与主体顶板交界处成135度夹角；两侧首部侧板11与主体侧板3固定，首部侧板11与主体侧板3交界处成135度夹角。

进一步的，所述的履带模块包括橡胶履带4、前驱动轮9、后驱动轮5和减速电机21，所述的前驱动轮9通过轮轴10安装在主体的前部，后驱动轮5通过轮轴10安装在主体的后部，橡胶履带4环绕在前驱动轮9和后驱动轮5上；

所述的前驱动轮9的外侧设置驱动链轮17，所述的驱动链轮17与前驱动轮9固定连接，所述的驱动链轮17通过链条19与减速电机21上的减速链轮20连接，所述的减速电机21固定在主体侧板3上，减速电机21通过数据线与控制模块连接；

所述的主体侧板3上分别固定安装轮轴10、履带纵方向支撑杆24和定位板固定杆8的一端，所述的轮轴10、履带纵方向支撑杆24和定位板固定杆8的另一端固定安装在履带侧向固定板6上，所述的履带侧向固定板6与履带模块连接；

所述的定位板固定杆8上固定安装履带支撑轮定位板23，所述的履带支撑轮定位板23下方安装履带支撑轮7，所述的履带支撑轮7与橡胶履带4内侧滚动接触、对橡胶履带4起到支撑作用；

所述的履带支撑轮定位板23与主体侧板3之间固定安装电磁铁22，所述的电磁铁22通过控制线与控制模块连接；

所述的橡胶履带4外表面凹齿处固定安装永磁铁14。

进一步的，所述的前驱动轮9和后驱动轮5均通过履带驱动齿与橡胶履带4啮合。

进一步的，所述的前驱动轮9的轮轴10和后驱动轮5的轮轴10上均设置环轴限位器18。

进一步的，所述的驱动模块的结构为左右对称结构。

进一步的，所述的前驱动轮9、后驱动轮5、履带支撑轮定位板23和履带侧向固定板6采用高密度聚乙烯材料制成。

进一步的，所述永磁铁14长度120mm宽度10mm高度5mm，磁力大小15n，中部两侧开有4mm直径孔位用于安装螺丝使其固定在橡胶履带4外表面凹齿处；所述电磁铁22长75mm宽35mm高23mm，24v供电，最大吸附力为机器人在水下所受向下方向力的两倍。

一种水下船体清洗机器人的吸附和驱动装置的工作方法，包括以下步骤：

a、靠近船体表面

通过上位机发送控制信号到控制模块，控制模块再将控制信号处理后对驱动模块的各个推进器进行控制，通过不断调整机器人位姿，使得机器人自由移动到水下船体表面且机器人底部靠近船体表面；

b、吸附到船体表面上

操作人员根据船体表面的材质和海流情况设定机器人的吸附形式，如果船体表面为含铁金属表面，在海流湍急或船体移动的情况下采用混合吸附形式，转步骤b1，在海流缓和或船体静止的情况下采用磁力吸附形式，转步骤b2；否则采用推力吸附形式，转步骤b3；

b1、根据使用条件选择以下混合吸附形式分之一：

b11、在最极端的强海流情况下：永磁铁14与电磁铁22磁力方向一致，推进器推力方向向外即垂直于船体表面向外，吸附力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的7-8倍；转步骤c；

b12、在一般海流情况下：电磁铁22不工作，推进器推力方向向外，吸附力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的4-5倍；转步骤c；

b2、永磁铁14与电磁铁22磁力方向相同，推进器不工作，吸附力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的4-5倍；转步骤c；

b3、对于非金属船体表面采用推力吸附形式，此时电磁铁22不工作，吸附力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的1-2倍；或者拆卸永磁铁14减轻重力影响。

c、在船体船体表面移动

当机器人吸附在船体表面时，上位机通过控制模块控制减速电机21的转速与转向，减速电机21通过链条19带动后驱动轮5转动，从而驱动机器人在船体表面进行履带式移动；机器人转向通过履带差速转动实现；

d、脱离船体表面

在进行完清洗工作后，需脱离船体表面，操作人员根据机器人的吸附形式设定机器人的脱离形式，如果是混合吸附形式下转步骤d1，如果是磁力吸附形式下转步骤d2，如果是推力吸附形式转步骤d3；

d1、通过控制模块控制电磁铁22与永磁铁14的磁力方向相反，推进器的推力方向向内即垂直于船体表面向内，排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的4-5倍，净排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的2-3倍；

d2、通过控制模块控制电磁铁22与永磁铁14的磁力方向相反，推进器不工作，排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的2-3倍，净排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的0.9-1.1倍；

d3、通过控制模块控制推进器的推力方向向内即垂直于船体表面向内，永磁铁14与电磁铁22不工作，排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的1-2倍，净排斥力大小峰值为机器人在水下所受向下方向力的0.9-1.1倍。

本发明中，环轴限位器18可将轴杆固定锁死，同时通过螺丝将其本体固定在主体侧板3上，以实现将轮轴10垂直固定在板面上。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

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