水下清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)綜述

周玲

摘 要：清洗機(jī)器人為我國水下作業(yè)機(jī)械設(shè)備的高效運(yùn)行提供了基礎(chǔ)保障，不僅降低了返塢清洗的成本和對(duì)環(huán)境造成的污染，而且還緩解了船舶不足的問題。水下清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)研發(fā)是我國機(jī)器人智能化發(fā)展的重要技術(shù)趨勢(shì)，文章對(duì)清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜述，為研究水下清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)工作提供了有利的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水下；清洗機(jī)器人；設(shè)計(jì)；綜述

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

在我國海洋開發(fā)業(yè)發(fā)展的過程中，海洋鉆井平臺(tái)支架、海洋浮標(biāo)、船舶以及潛水器等機(jī)械設(shè)備發(fā)揮了重要的作用。但是由于長期處于海水中會(huì)受到海水的腐蝕，并且附著大量的貝類、海藻等浮游生物，不僅會(huì)破壞機(jī)械設(shè)備使用的安全性，還會(huì)降低使用壽命。如果利用人工進(jìn)行清洗，不僅工作效率低、成本高，而且還存在較高的風(fēng)險(xiǎn)。而水下清洗機(jī)器人具有船底探傷、常規(guī)性檢測(cè)以及清洗等功能，成為水下清洗工作的重要設(shè)備。近些年來，國內(nèi)外眾多科學(xué)家和學(xué)者在水下清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量的研究，在技術(shù)上有了很大的進(jìn)步和發(fā)展，為水下清洗機(jī)器人的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 水下清洗機(jī)器人可靠性研究

水下清洗機(jī)器人在工作的過程中，會(huì)受到水流動(dòng)力以及壓力流場的影響而改變航行的方向，從而對(duì)預(yù)定運(yùn)行軌跡產(chǎn)生一定的影響，不利于清洗工作的高效完成。

河北工業(yè)大學(xué)武建國等人[1]等對(duì)船壁清洗水下機(jī)器人水動(dòng)力分析與試驗(yàn)研究進(jìn)行了探索，所研究的清洗機(jī)器人具有模塊化、功能多樣化和可移動(dòng)的特點(diǎn)。因?yàn)樗虑逑礄C(jī)器人工作任務(wù)比較復(fù)雜，需要在水中進(jìn)行上下左右的移動(dòng)，那么就要對(duì)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。文章開始從動(dòng)力學(xué)方程模型、ROV水動(dòng)力性能、壓力流場結(jié)構(gòu)三個(gè)方面對(duì)水動(dòng)力性能進(jìn)行了分析。經(jīng)過對(duì)機(jī)器人在直航、下潛和橫移三種不同航行狀態(tài)下的壓力流場進(jìn)行分析，得出最大受力面上的阻力大小比較均勻，從而說明機(jī)器人在運(yùn)行過程中具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，為后期的清洗機(jī)器人軟硬件設(shè)計(jì)提供了可供參考的依據(jù)。該機(jī)器人在硬軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)主要由五個(gè)主要控制節(jié)點(diǎn)，采用總線型分布式控制的方式，微控制器以LPC2129為核心，軟件設(shè)計(jì)中采用CAN總線在線編輯器設(shè)計(jì)。經(jīng)過后期的試驗(yàn)表明，采用文中所述方法設(shè)計(jì)的清洗機(jī)器人在實(shí)際行走總路程與目標(biāo)總路程之間的誤差較小，經(jīng)過調(diào)整后有所改進(jìn)，最終水池試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期效果一致。

2 吸附爬壁機(jī)器人

水下爬壁機(jī)器人在清洗工作過程中需要牢固的吸附在壁面上，但是由于水下機(jī)械設(shè)備材料的不同，對(duì)機(jī)器人的吸附力就會(huì)產(chǎn)生不同的影響，所以如何平衡機(jī)器人吸附力以及靈活性成為重要的研究問題，爬壁機(jī)器人采用的吸附方法主要有真空吸附、磁吸附、推力吸附、干性粘著劑材料吸附。

河南工業(yè)大學(xué)的王立柱[2]對(duì)水下爬壁機(jī)器人變磁力腳吸盤吸附特性進(jìn)行研究，磁力吸附的強(qiáng)弱與機(jī)器人的穩(wěn)定性成正比，與靈活性成反比，所以作者對(duì)變磁力腳吸盤作為爬壁機(jī)器人的一種新型吸附裝置進(jìn)行研究。經(jīng)過大量的研究分析，最終確定了選擇稀土永磁材料汝鐵硼作為吸附材料，驅(qū)動(dòng)方式為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)腳吸盤，以絲杠螺母機(jī)構(gòu)為腳吸盤的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用O形圈為靜密封，格萊圈為動(dòng)密封。在設(shè)計(jì)完成后，利用MATLAB軟件，ANSYS軟件，對(duì)爬壁機(jī)器人的力學(xué)模型和不同吸附間隙下的磁吸附力大小進(jìn)行仿真分析，通過不斷的試驗(yàn)和改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)了爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件和軟件，為我國水下機(jī)器人吸附裝置性能的提升具有重要意義。

北京石油化工學(xué)院的楊海強(qiáng)[3]對(duì)水下推力吸附式爬壁機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了研究，他所設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人樣機(jī)吸附方式采用了推力吸附，推力吸附對(duì)吸附避免的材料和形狀都具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，并且螺旋槳在水中的敞水效果較好，可以產(chǎn)生較大的吸附力。在移動(dòng)方式上采用了車輪式結(jié)構(gòu)，與螺旋槳產(chǎn)生的吸附力相配合，在轉(zhuǎn)彎和移動(dòng)方面具有很強(qiáng)的靈活性。

3 螺旋槳清洗機(jī)器人

螺旋槳是輪船中的重要組成部分，對(duì)螺旋槳的清洗質(zhì)量直接關(guān)系到輪船的航行效率和燃油的消耗。而由于螺旋槳結(jié)構(gòu)比較特殊，所以要求清洗機(jī)器人具有很強(qiáng)的靈活性。

重慶交通大學(xué)的王晴[4]對(duì)螺旋槳清洗機(jī)器人超靈巧機(jī)械臂設(shè)計(jì)與性能進(jìn)行了研究，其選定水射流為清洗介質(zhì)，利用仿生學(xué)原理對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的機(jī)器人具有章魚的吸附特點(diǎn)，并且同時(shí)具有高靈活性與高承載能力的剛?cè)狁詈螲DM機(jī)械臂。在利用ADAMS軟件對(duì)剛性部件、柔性部件、繩索型部件進(jìn)行剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論模型的有效性。后期進(jìn)行材料的選擇，然后對(duì)機(jī)器人在空載加壓狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)論證實(shí)了模型的正確性和有效性。

4 海洋平臺(tái)導(dǎo)管架清洗機(jī)器人

鉆采平臺(tái)作為海洋石油開采的重要設(shè)備，導(dǎo)管架長期浸泡在海水中會(huì)附著大量的海生物，對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。利用清洗機(jī)器人對(duì)導(dǎo)管架上的海生物進(jìn)行清洗，可提高鉆采工作的安全性。

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)的王英飛[5]對(duì)海洋平臺(tái)導(dǎo)管架海生物清洗機(jī)器人進(jìn)行了研究，在整體集成化的設(shè)計(jì)思想上，采用三指夾持機(jī)構(gòu)與電磁吸附相結(jié)合作為吸附機(jī)構(gòu)，為了保證高壓水射流入射角與靶距的穩(wěn)定性，采用五自由度噴槍運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器。在經(jīng)過三維建模以及仿真分析后，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

5 小結(jié)

水下清洗機(jī)器人的發(fā)展前景比較廣闊，為了確保機(jī)器人運(yùn)行的更加穩(wěn)定，在吸附力、移動(dòng)方式、密封、作業(yè)等方面還會(huì)不斷的研究，隨著仿生學(xué)、物理學(xué)、微機(jī)電、高分子材料等新技術(shù)、新材料的發(fā)展，水下清洗機(jī)器人在性能上會(huì)不斷改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]武建國，劉冬，王曉鳴，林興華，劉海濤.船壁清洗水下機(jī)器人水動(dòng)力分析與試驗(yàn)研究[J].船舶工程，2018，03（25）.

[2]王立柱.水下爬壁機(jī)器人變磁力腳吸盤吸附特性的研究[D].河南工業(yè)大學(xué)，2012，5（01）.

[3]楊海強(qiáng).水下推力吸附式爬壁機(jī)器人樣機(jī)研究[D].北京石油化工學(xué)院，2015，6（19）.

[4]王晴.螺旋槳清洗機(jī)器人超靈巧機(jī)械臂設(shè)計(jì)與性能研究[D].重慶交通大學(xué)，2017，4（14）.

[5]王英飛.海洋平臺(tái)導(dǎo)管架海生物清洗機(jī)器人研究[D].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2015，3（01）.