水下船体表面检测机器人机械系统设计文档格式.doc

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5方案论证…………………………………………………………..3

5.1坞内清刷技术…………………………………………………….3

5.2水下清刷技术…………………………………………………….4

6论证结果…………………………………………………………..4

7参考文献……………………………………………………………5

1.水下船体表面清洗机器人研究的意义

世界远洋运输事业飞速发展，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。

然而，海水的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、锈皮和锈斑等。

据统计，大型油船壳体粗糙度平均增长10!

m可导致燃料耗量多增1%；

而粗糙度增长25!

m，燃料耗量多增加2.5%。

例如：

载重量为5万吨，使用12个月内没有进行清理的油船的速度约降低2节。

另一方面，在两年内（每3月／次）定期清理这种排水量的油船共可节省燃料约2000吨，相当于50万美元（燃料平均价格为250美元／吨）。

潜水员在海底用刷子清理船底附生物的工作，属于重体力劳动，特征是在工作时需氧量为2.5"

3.0升／分钟，心脏收缩频率140"

160次／分钟。

水下船体表面清刷装置的研究，对

于延长船舶的使用寿命、保证船舶的安全运行、节省船舶的燃油消耗、提高船舶的运行速度、减少船舶航行阻力和降低潜水员的劳动强度具有重要的意义［1］。

水下清刷装置是水下船体表面清刷机器人的关键部件，是用来完成水下船体表面清刷的作业工具。

水下清刷装置的好坏直接决定水下船体表面清刷机器人的清刷效果。

随着世界经济的发展，带来了远洋运输事业的飞速发展，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、锈皮和锈斑等，为了延长船舶的使用寿命，保证船舶的安全运行，船舶必须定期进坞进行检验。

这就存在着修船期长，船坞不足的问题，同时也增加了船舶的非营运时间和燃油的消耗。

所以开展船舶水下清刷作业，提高水下清刷作业的自动化水平，是目前急需解决的问题。

船舶水下清刷技术是从六十年代开始的，在进坞前对船舶实行水下清洗、除锈、水下检查等，使得进坞后可以迅速地对查出的故障进行处理，对船体进行涂装等维修工作，从而可缩短坞修时间，也可以对水下检查后没有必要进坞维修的船舶进行完全的坞外清刷、件下修更多的船，并可在某些项目上，喷涂。

这样可在拥有同样多船坞的条开展大型船舶的服务业务，而不必局限在大坞的吨位上。

据统计，世界上5万吨以上的船占船舶总数的49．4％，这是一部分相当大的业务对象。

而我国虽有大连造船新厂等几家拥有20万吨级以上的船坞，但还是与国外存在很大的差距，我国只有在修船效率上下工夫。

2.水下船体表面清洗机器人的起源和现状

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、锈皮和锈斑等，为了延长船舶的使用寿命，保证船舶的安全运行，船舶必须定期对船坞进行检验。

船舶水下清刷技术是从六十年代开始的，在进坞前对船舶实行水下清洗、除锈、水下检查等，使得进坞后可以迅速地对查出的故障进行处理，对船体进行涂装等维修工作，从而可缩短坞修时间，也可以对水下检查后没有必要进坞的船舶进行完全的坞外清刷、喷涂。

这样可在拥有同样多船坞的条件下修更多的船，并可在某些项目上，开展大型船舶的服务业务，而不必局限在大坞的吨位上。

据统计，世界上5万吨以上的船占船舶总数的49.4%，这是一部分相当大的业务对象。

而我国虽有大连造船新厂等几家拥有20万吨级以上的船坞，但还是与国外存在很大的差距，我国只有在修船效率上下功夫。

实面水下清刷作业的自动化，用机器人来替代人的操作，将会大大节约劳动力，降低潜水员的劳动强度，提高修船效率。

法国、美国、日本等国家已开展了水下清刷设备的研究，但有的还是需要潜水员下水操作。

为了提高修船效率、节约能源，提高我国在世界修船业中的地位，很有必要进行水下船体表面清刷机器人的研究。

水下清刷作业由于可以在舰船锚泊或停靠码头时直接进行，一方面减少了船舶的停航损失，另一方面也使得船舶的燃油水泵大大地降低。

这样可以解决船坞不足，特别是大坞严重不足的问题。

众所周知，修船期长，船坞不足，缺少10吨以上的大坞是我国修船业发展的重要障碍。

而船坞投资巨大，建设周期长，为了提高坞修能力，近年来用于坞修机械化的投资介巨大。

3.水下船体清刷机器人运动分析

船体清刷机器人工作于水下环境，是高度非线性系统，建立精确数学模型十分困难。

在进行运动轨迹控制时，参数的变化对系统模型的影响较大。

机器人移动路径的一般控制方法是把期望移动方向与机器人实际移动方向之差作为控制器的输入偏差，控制器输出控制量为驱动机器人移动的伺服马达的转角。

实际上，清刷机器人的运动与链轮、链条、机器人绕其重心的转动惯量、重心位置、前后链轮侧偏系数、船舶的运动状态、船体形状和表面状况、海水中的波浪、海流状况等诸多因素有关。

本文分析了水下船体清刷机器人的运动，并对机器人系统

进行了运动仿真。

水下船体表面清刷机器人在船体表面上可靠吸附及灵活移动的首要条件是防止滑落、倾覆和下滚。

为此对机器人所处的三种临界状态进行了力学分析，推导出机器人抗倾覆、下滑和下滚的临界条件。

由于机器人相对船体较小，船体的肿部表面较平滑，可以将船体表面简化成与髫轴夹角为卢的平面，来分析水下清刷机器人的受力情况。

机器人在船体表面处于静止状态时，受重力、船体表面与磁吸盘之间磁吸附力、船体表面对吸盘支持力、船体表面与磁吸盘之间的静摩擦力以及机器人与船舶一起做升沉运动过程中在茗方向的受力和机器人在水中受到的浮力。

当水下清刷机器人在船体表面相对船舶处于静上状态时，可能有三种危险趋势：

机器人绕A点倾覆、沿船体表面下滑和下滚。

4.清刷机器人系统介绍

水下船体清刷机器人的主要任务是完成水下船体表面附着海生物的清除，其工作面是船体表面。

清刷机器人系统如图1所示，由图可知，机器人系统由机械本体、清刷作业装置和控制系统三部分组成。

其工作原理为：

在船体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久吸力带来的放上取下的不便，并起到运输作用。

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，便于操作者及时了解机器人的工作状态。

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。

清刷机器人运动路径分析

5.方案论证

船体表面清刷作业能够减小船舶航行阻力、确保航速和节约燃料，以及延长船舶的使用寿命等优点，特别是在全球石油危机的影响下，船舶的清刷作业更是得到了广泛的应用和发展。

现阶段船体表面清刷主要分为坞内清刷和水下清刷两类。

5.1、坞内清刷技术

坞内清刷主要是在船坞里进行船体表面的高压水清洗和喷砂（丸）。

（1）高压水清洗

高压水清洗是一种既环保又经济的表面处理手段，在工业和海洋工程中得到了广泛的应用。

高压水清洗对环境没有灰尘产生，可以方便、快速而又经济回收清理物，而且旧涂膜表面清洁处理不用担心引起涂膜受冲击而裂开。

但清洗船体表面的海洋附着物为海蝠等贝类时，清洗效果并不理想，

（2）喷砂

喷砂是以压缩空气为动力，将磨料以一定速度喷向被处理的船体表面，对船体表面产生冲击和切削作用，以除去氧化皮、铁锈和海洋污损物的一种有效的表面处理方法。

绝大多数喷砂处理需要工人参与，喷砂的扶尘大、噪声高还有一定的危险性。

。

5.2、水下清刷技术

水下清刷技术的发展经历了三个阶段

第一阶段为潜水员水下操作阶段，由潜水员下水进行清刷工作。

第二阶段为机械操作阶段，使用专用的清洗器、涂装机等机械提高了清刷效率，可以完成大型船舶的清刷作业。

第三阶段为遥控机或机器人自主作业阶段，可以在恶劣的环境下遥控作业或自主作业，工作效率有了跨越式的提高。

①潜水员水下操作阶段：

潜水员水下操作阶段最早用于对较小船舶水下海生物的清刷，使用成形的气动或液压清洗器由潜水员来操作完成，劳动强度大，清刷效率低。

利用操作人员施加外力及转刷产生的负压使之紧贴船体，并推动其向前运动，需要一名潜水员在水下操作清刷设备。

水下清刷设备可分为单刷、双刷和三刷设备三种，其中单刷清刷设备重量小，操作灵活，不受船体表面形状的影响，但作业效率低：

双刷和--$U清刷设各比单刷清刷效率高，特别适合大型油轮的清刷作业。

通常清刷作业时几种清刷设各可配合使用以达到预期的清刷目的。

②机械操作阶段：

随着大型船舶特别是大型油轮的出现，手工操作不能满足高效率和高质量的要求，从而出现了较为大型的机械装置，如多刷清扫器、刷污车等。

这一阶段的快速发展一方面是由于大坞的数量满足不了修船的需要，另一方面是航运部门在石油危机、油价上涨的压力下采取了缩减开支和降低油耗的措施。

特别是船级社对船舶进坞隔期的规定放宽，允许用水下检验代替两年一次的中间检验，使得水下清刷技术的应用得到了多方认可。

③遥控机或机器人自主作业阶段：

潜水员水下清刷过程中，潜水员的劳动强度大，工作环境条件差等一些缺点不断暴露出来，在此基础上，为进一步适应海洋的恶劣环境和在低能见度的情况下工作，人们开始寻求水下机器人技术的应用。

水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其它工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装胃；

随着机电一体化技术的发展．水下清刷机器人应运而生。

1966年，英国船舶研究计划中心引入了水下清刷及维护项目，即SCAMP（ShipCleaningandMaintenancePlatform）。

采用了水下运载工具的设计原理，使装置紧贴于船舷壳板做垂直或水平爬行，控制箱在工作艇上，可以遥控操作。

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，液压驱动。

6.论证结果

在船坞内进行高压水清洗和喷砂需要船舶进船坞之后进行船体表面的清理工作，这就增加了船舶的停航损失，此外喷砂会给作业环境带来严重的污染。

在船坞外进行的清洗一方面从潜水员劳动强度角度考虑艚水员在海里用转刷清理船体附着生物的工作，属于重体力劳动，其特征是：

在工作时的需氧量为2．5-3．0升／分钟，心脏收缩频率为140．160次／分钟。

另一方面水下船体表面检测机器人的研究，对于延长船舶的使用寿命、保证船舶的安全运行、节省船舶的燃油消耗、提高船舶的运行速度、减少船舶航行阻力和降低潜水员的劳动强度具有重要的意义。

7.参考文献：

[1]hIlp：

∥ww．si蛆．Ilet[OL]．产经网一中国海洋报，2005．11．0l，

10：

54．

[2]王立春．新一代的超高压水清洗工具一Hydroc砒（清洗猫）[J]．

化学清洗，2000，16

（1）：

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