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船舶清洗机器人-水下机器人

发布时间:2015-10-07 15:43来源:未知点击次数:

 随着海洋资源的不断开发利用, 船舶作为海上交
通运输的主要工具正发挥着越来越大的作用。但海水
的强腐蚀性和海洋生
物的强附着力, 使得船体表面附着
难以清除的贝类、
海藻、锈皮和锈斑等。为了延长船舶
的使用寿命, 保
证船舶的经济及安全运行, 船舶必须定期
进坞进行
检修。海洋钻井平台支架水下部分也有大量的
贝类、海藻和锈斑等强附着物。

    进行船舶清洗工作由于可以在船舶锚泊或停靠

码头时直接进行, 这样可以解决船坞不足, 特别是大

坞严重不足的问题。水下船体表面清刷与涂装维护

对降低油耗, 提高航速具有显著的经济效益。对于

海洋工程结构的维修及军事方面应用亦有广阔前

景。此外, 该机器人还可用于大型流体容器内壁的

检查和维护等。

     在国外, 日本、美国、法国等国家的水下清刷作

业装置已经日趋成熟并走向实用化。常用的设备

有:(1)手持单刷机具:由潜水员手持转刷, 利用转刷

产生的负压使之紧贴船体, 推动其向前运动。(2)行

走多刷式水下清扫装置:它的工作部分由3 个转刷,

3 个行走轮和1 个中心推进器构成。(3)喷射式清

刷装置:是把高压水用于水下清洗作业。(4)遥控型

水下清洗器:由遥控器或计算机来控制水下清扫机

器人完成清刷作业。我国的救捞部门曾引进了几台

清刷作业设备, 主要在夏季水温较高和在海水能见

度高的港口才可以使用, 有很大的局限性。主要方

式还是潜水员手工操作。因此, 开展水下船体表面

清刷作业机器人的技术研究, 对促进该领域的技术

进步具有重要意义。

1 .2  方案组成及工作原理

     水下船体表面清刷机器人可分为机械本体、清

刷作业装置和控制系统三部分, 其工作原理为:在船

的甲板上放置有一个可自由移动的运载小车, 它可

使机器人自动爬上或爬下船体表面, 克服由于机器

人具有的永远吸力带来的放上取下的不便, 并能起

到运输作用。小车上有控制柜, CRT 显示器, 动力
源及卷扬装置。动力源可为水下机器人的移动和清

刷作业提供动力, 卷扬装置随着机器人的上下移动

及时地收放保护缆绳, 为机器人提供安全保障条件,

同时为机器人输送动力和控制电缆。显示器通过安

装在机器人本体上的摄像机, 实时地显示机器人的

工作环境, 便于操作者掌握机器人的工作状态。机

器人从运载小车爬上船体, 先按从上至下的路径移

动, 当到达船的底部时, 机器人旋转180°, 然后再从

下至上移动。清洗刷具由两个电机单独驱动做逆向

旋转运动, 机器人边移动边清刷, 如此往复, 完成清

刷工作。

2  技术方案分析

2 .1  机械本体设计方案

(1)吸附方式的选择

壁面移动机器人按吸附功能来分有真空吸附、

磁吸附和推力吸附三类。真空吸附法有单吸盘和多

吸盘两种。它是通过真空泵装置, 使吸盘内腔产生

负压或由喷射器经喷嘴将压缩空气喷出, 在其周围

形成真空, 使机器人吸附在壁面上。它不受壁面材

料的限制, 但当壁面凹凸不平时, 吸盘容易漏气, 降

低了吸附力和承载力。磁吸附法分永磁体和电磁体

两种, 它要求壁面必须是导磁材料, 对壁面的凹凸适

应性强, 不存在漏气问题且结构简单。当壁面是导

磁材料时优先考虑选用磁吸附。推力吸附法是一种

新型的吸附方式, 与真空吸附和磁吸附相比, 在爬壁

机器人的载体方面有了很大的创新。它不是依靠吸

力而是借鉴了航空技术, 使用螺旋桨或涵道风扇产

生合适的推力, 使机器人稳定可靠地吸附在壁面上。

由于推力能始终指向壁面, 机器人可容易地实现越

障而适应于各种情况的壁面。

考虑到船体表面是导磁性材料, 且附着海生物

的船体表面凹凸不平, 为了提高吸附力, 选用磁吸附

法。由于用永磁体维持吸附力不需要外加能量, 也

不会因控制部件发生故障而脱离壁面, 所以采用永

磁体吸附。

(2)移动方式的选择

按移动形式来分有车轮式、履带式和步行式三

种。综合考虑船体表面的工作情况, 机器人移动形

式, 选用履带和轮子的复合形式, 将永磁体块镶在链

条上形成磁性履带, 采用适于曲面的负荷分散式履

带。虽然结构上比较复杂, 但其接触面大, 移动灵

活, 可增加负重, 又便于携带作业工具。磁性导向轮

主要是便于转弯功能的实现。

(3)密封和防腐结构的设计

机器人在海洋环境中与在陆地上工作有着显著

的区别就是要考虑密封与防腐问题。工控机等控制

部件可装在专门设计的金属承压箱中, 加设固定式

O 型密封圈的端面密封结构;控制电缆可采用圆柱

橄榄形橡胶密封;电机可直接选用水下电机。机器

人工作在海水里会受到多种腐蚀, 如海洋大气的盐

雾腐蚀、海水的化学腐蚀、不同金属在海水中的电位

差腐蚀、海水的应力腐蚀和金属零件之间的间隙腐

蚀等。若不考虑这些因素, 将会大大缩短机器人的

使用寿命, 还会使系统发生故障, 从而降低其工作的

可靠性。所以在选择材料时, 要优先考虑选用耐海

水腐蚀的合金材料, 如不锈钢;非金属防海水腐蚀材

料,如特种尼龙, 丁腈橡胶等;也可对金属表面进行

二次喷涂, 如镀铬、镀镍等, 也可涂覆耐海水腐蚀的

涂层材料。清刷机器人的本体结构示意图如图2 所

示。

2 .2  清刷作业装置设计方案

清刷作业装置由刷具, 动力执行元件(电机)及

支架组成。刷具由刷盘、联轴器和刷丝组成。刷盘

选用尼龙制作, 由螺栓固定在刷盘联轴器上, 通过联

轴器与驱动电机相连。联轴器选用不锈钢材料, 刷

丝一般由淬火不锈钢丝制成, 为达到高效率的清刷

效果, 要求刷丝具有较硬, 弹性好的性能。驱动刷具

的动力执行元件采用两个电动机, 从机器人本体的

受力情况来分析, 电机单独驱动两个清洗刷按相反

的方向旋转是可行的。整个清刷装置都安装在支架

上。支架采用铝合金制成, 通过支架将该装置安装

在机器人本体上。

2 .3  控制系统方案设计

控制系统的功能就是通过传感器感知外部信

息, 并加以分析、判断和处理, 通过输出接口发出控

制命令, 协调各子系统的工作, 使整个机器人按照期

望的特性来运作, 同时完成各系统的状态监控和显

示。该机器人的控制系统采用二级计算机控制, 上

位机即控制柜位于船甲板的运载小车上, 它完成整

个系统的管理, 如系统的自保护, 自诊断, 机器人的

前进, 后退, 转弯等。下位机位于机器人的本体上,

接受来自上位机的指令, 控制吸附机构和移动机构

的正常工作, 控制清刷作业装置的工作等。倾斜计

和位置传感器用来检测机器人的位姿。履带和清洗

刷由四个电机单独驱动。

3  结 论

  综合考虑了陆地上壁面移动机器人的发展

状况和在海洋中作业的这一特殊环境, 我们提出

对研制水下船体表面清刷机器人的总体方案。该类

机器人具有以下突出特点:

(1)作业方式多样化。可在一个载体上更换不

同的作业工具, 实现船体水下喷漆等其它作业;

(2)可针对其它海洋工程结构物的清刷等作

业, 向模块化、系列化发展, 具有非常广泛的应用前

景。大力金刚水下机器人 ROV应用领域会越来越广。

 



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