水下清洗機器人設計綜述

周玲

摘 要：清洗機器人為我國水下作業機械設備的高效運行提供了基礎保障，不僅降低了返塢清洗的成本和對環境造成的污染，而且還緩解了船舶不足的問題。水下清洗機器人的設計研發是我國機器人智能化發展的重要技術趨勢，文章對清洗機器人設計進行了綜述，為研究水下清洗機器人設計工作提供了有利的依據。

關鍵詞：水下；清洗機器人；設計；綜述

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

在我國海洋開發業發展的過程中，海洋鉆井平臺支架、海洋浮標、船舶以及潛水器等機械設備發揮了重要的作用。但是由于長期處于海水中會受到海水的腐蝕，并且附著大量的貝類、海藻等浮游生物，不僅會破壞機械設備使用的安全性，還會降低使用壽命。如果利用人工進行清洗，不僅工作效率低、成本高，而且還存在較高的風險。而水下清洗機器人具有船底探傷、常規性檢測以及清洗等功能，成為水下清洗工作的重要設備。近些年來，國內外眾多科學家和學者在水下清洗機器人設計方面進行了大量的研究，在技術上有了很大的進步和發展，為水下清洗機器人的發展奠定了良好的基礎。

1 水下清洗機器人可靠性研究

水下清洗機器人在工作的過程中，會受到水流動力以及壓力流場的影響而改變航行的方向，從而對預定運行軌跡產生一定的影響，不利于清洗工作的高效完成。

河北工業大學武建國等人[1]等對船壁清洗水下機器人水動力分析與試驗研究進行了探索，所研究的清洗機器人具有模塊化、功能多樣化和可移動的特點。因為水下清洗機器人工作任務比較復雜，需要在水中進行上下左右的移動，那么就要對動力學進行研究。文章開始從動力學方程模型、ROV水動力性能、壓力流場結構三個方面對水動力性能進行了分析。經過對機器人在直航、下潛和橫移三種不同航行狀態下的壓力流場進行分析，得出最大受力面上的阻力大小比較均勻，從而說明機器人在運行過程中具有很強的穩定性和可靠性，為后期的清洗機器人軟硬件設計提供了可供參考的依據。該機器人在硬軟件控制系統設計中，控制系統體系結構主要由五個主要控制節點，采用總線型分布式控制的方式，微控制器以LPC2129為核心，軟件設計中采用CAN總線在線編輯器設計。經過后期的試驗表明，采用文中所述方法設計的清洗機器人在實際行走總路程與目標總路程之間的誤差較小，經過調整后有所改進，最終水池試驗結果與預期效果一致。

2 吸附爬壁機器人

水下爬壁機器人在清洗工作過程中需要牢固的吸附在壁面上，但是由于水下機械設備材料的不同，對機器人的吸附力就會產生不同的影響，所以如何平衡機器人吸附力以及靈活性成為重要的研究問題，爬壁機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。

河南工業大學的王立柱[2]對水下爬壁機器人變磁力腳吸盤吸附特性進行研究，磁力吸附的強弱與機器人的穩定性成正比，與靈活性成反比，所以作者對變磁力腳吸盤作為爬壁機器人的一種新型吸附裝置進行研究。經過大量的研究分析，最終確定了選擇稀土永磁材料汝鐵硼作為吸附材料，驅動方式為步進電機驅動腳吸盤，以絲杠螺母機構為腳吸盤的傳動機構，用O形圈為靜密封，格萊圈為動密封。在設計完成后，利用MATLAB軟件，ANSYS軟件，對爬壁機器人的力學模型和不同吸附間隙下的磁吸附力大小進行仿真分析，通過不斷的試驗和改進，最終設計了爬壁機器人控制系統硬件和軟件，為我國水下機器人吸附裝置性能的提升具有重要意義。

北京石油化工學院的楊海強[3]對水下推力吸附式爬壁機器人樣機進行了研究，他所設計的爬壁機器人樣機吸附方式采用了推力吸附，推力吸附對吸附避免的材料和形狀都具有很強的適應性，并且螺旋槳在水中的敞水效果較好，可以產生較大的吸附力。在移動方式上采用了車輪式結構，與螺旋槳產生的吸附力相配合，在轉彎和移動方面具有很強的靈活性。

3 螺旋槳清洗機器人

螺旋槳是輪船中的重要組成部分，對螺旋槳的清洗質量直接關系到輪船的航行效率和燃油的消耗。而由于螺旋槳結構比較特殊，所以要求清洗機器人具有很強的靈活性。

重慶交通大學的王晴[4]對螺旋槳清洗機器人超靈巧機械臂設計與性能進行了研究，其選定水射流為清洗介質，利用仿生學原理對傳統機器人進行改進，改進后的機器人具有章魚的吸附特點，并且同時具有高靈活性與高承載能力的剛柔耦合HDM機械臂。在利用ADAMS軟件對剛性部件、柔性部件、繩索型部件進行剛柔耦合運動學仿真，進一步驗證了理論模型的有效性。后期進行材料的選擇，然后對機器人在空載加壓狀態下進行試驗，結論證實了模型的正確性和有效性。

4 海洋平臺導管架清洗機器人

鉆采平臺作為海洋石油開采的重要設備，導管架長期浸泡在海水中會附著大量的海生物，對安全生產構成嚴重的威脅。利用清洗機器人對導管架上的海生物進行清洗，可提高鉆采工作的安全性。

天津職業技術師范大學的王英飛[5]對海洋平臺導管架海生物清洗機器人進行了研究，在整體集成化的設計思想上，采用三指夾持機構與電磁吸附相結合作為吸附機構，為了保證高壓水射流入射角與靶距的穩定性，采用五自由度噴槍運動執行器。在經過三維建模以及仿真分析后，其結構設計具有很強的實用性。

5 小結

水下清洗機器人的發展前景比較廣闊，為了確保機器人運行的更加穩定，在吸附力、移動方式、密封、作業等方面還會不斷的研究，隨著仿生學、物理學、微機電、高分子材料等新技術、新材料的發展，水下清洗機器人在性能上會不斷改善。

參考文獻：

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

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

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

[4]王晴.螺旋槳清洗機器人超靈巧機械臂設計與性能研究[D].重慶交通大學，2017，4（14）.

[5]王英飛.海洋平臺導管架海生物清洗機器人研究[D].天津職業技術師范大學，2015，3（01）.