水下船体表面检测机器人机械系统设计

机电工程学院

毕业设计方案

论证报告设计题目: 水下船体表面检测机器人机械系统设计

目次

1 水下船体表面清洗机器人研究的意义 (1)

2 水下船体表面清洗机器人的起源和现状 (1)

3 水下船体清刷机器人运动分析 (2)

4 清刷机器人系统介绍 (2)

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2 000 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

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，船舶必须定期对船坞进行检验。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