曾超，蔡振雄
（集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021）
摘 要：为了延长船舶的使用寿命，保证船舶航行的安全和高效，开展船舶水下清污作业的研究，提高水下清污作业的效率和自动化水平具有重要意义。本文介绍了一种新型的用于船体表面清污作业的水下船体遥控清污器的总体技术方案和工作原理，并提出了机械本体、控制系统和清刷作业装置三部分的设计方案分析。该船体遥控清污器具有操作简单，清污效率高等优点。
关键词：船体表面；水下清污；清污器；壁面吸附
The Study of Hull Cleaning Remote-control Machine
Zeng Chao,Cai Zhenxiong
(Marine Engineering Institute of Jimei University,Xiamen,Fujian 361021)
Abstract：In order to prolong the service life of the ship and ensure the safety and high efficiency for ship sailing，it's necessary to study on underwater hull cleaning，finally improving the efficiency and automation level of underwater cleaning.This paper introduces the overall technical scheme and working principle of a new kind of hull cleaning remote-control machine which is used in underwater cleaning of hull surface,and puts forward the device designing scheme of mechanical structure, control system and cleaning brush which constitute the whole hull cleaning remote-control machine.This machine is operated simply and will have a higher efficiency for hull cleaning.
Key words：hull surface；underwater cleaning；hull cleaning machine；surface adsorption
0引言
船舶长时间在海洋中航行，船体表面会长有大量藻类和贝类。它们大量的附着船体，将增大船舶在海水中的航行阻力，减缓航行速度，进而增加了燃油损失。藻类和贝类在生长过程中产生的分泌物能腐蚀船体表面的防锈涂层，再加上受海水的冲刷作用，它们会对船体表面涂层和金属产生强烈的剥离效果。海水的强腐蚀性使船体表面生有很多锈斑和锈皮，若不及时清理，会加速船体的腐蚀，削减船舶的使用寿命。为了保证船舶航行的安全和高效，船舶就必须定期进船坞清理。这会导致船坞的不足，船舶非营运时间的增加以及船舶停航损失的增加。所以开展船舶水下清污作业的研究，提高水下清污作业的效率和自动化水平，有许多重要的现实意义。
与美国、德国、日本等自动化发达国家相比，我国在船体水下清污装备方面的研究相对滞后。在实际应用过程中，目前国内的船体水下清污作业还是主要依靠潜水员手工操作来完成，与国外的无潜水员遥控操作形成了明显的对比[1]。哈尔滨工程大学、大连海事大学等高校和科研机构虽然在船体水下清污装备方面做了比较系统的理论研究，但尚存在很多的不成熟之处，离将其转化为现实的生产力还有很大距离。鉴于我国在船体水下清污装备方面的研究还处于相对较低的水平，所以急需要将此方面的研究进一步深化，以推动中国整体航运事业的发展。
1 总体技术方案的提出
1.1 主要技术性能指标
（1） 吸附方式：永磁和电磁的复合吸附方式；
（2） 移动方式：履带和车轮的复合移动方式；
（3） 移动速度：三级调速，分为低速4m/min、中速7m/min、高速10m/min；
（4） 控制方式：有线遥控；
（5） 通讯方式：串口通讯、CAN总线；
（6） 负重能力：不小于600N ；
（7）工作环境：船体水线以下表面。
1. 2 方案组成及工作原理
船体遥控清污器可分为机械本体、控制系统和清刷作业装置三部分，其工作原理为：整个清污系统由船上控制平台和水下清污器本体构成，两者通过由双绞线、电源线、保险绳组成的混合线缆连接。混合线缆是输送电力、传输数据和视频信号的重要通道，其中的保险绳起到了电磁吸盘断电保护的作用，它能防止清污器因意外断电导致电磁吸附失效而坠入海底的危险。船上控制平台主要由上位PC机、卷扬机构和运载小车组成[2]。上位PC机是控制平台的核心，它通过LCD显示器为操作者提供了良好的人机交互界面。安装在水下清污器本体上。
台摄像机能实时地感知水下的工作环境，并把图像资料显示在PC机控制界面的两个视屏窗口上。操作者通过与前摄像机相联系的视频窗口能清楚地观察船体表面的受污染程度，寻找清污作业的目标区域，为控制船体清污器的运动方向、刷盘的转动提供依据。与后摄像机相联系的视频窗口能实时显示清污后船体表面情况，便于检查清污效果。操作者在甲板上通过设定PC控制界面上方向和速度参数等，能轻松控制水下清污器的运动和清刷作业。PC机和卷扬机构放置在一个可以自由移动的运载小车上，能有效配合清污器的移动。卷扬机上缠有混合线缆，能随着清污器的上下移动及时地收放，为清污器提供安全保障条件。清污器在电磁吸盘和永磁履带的混合吸力作用下可靠地吸附在船体表面实现清刷作业，当清污器停止作业时，将电磁吸盘断电，电磁吸力消失。永磁履带产生的永磁吸力在保证清污器吸附在船体表面的前提下，没有太大的吸力裕量。在卷扬机构的协助下，操作者只要稍加外力就能将清污器从船体放上取下，这样就解决了清污器单纯依靠强大的永磁吸力吸附所带来的放上取下不便的问题。清洗刷盘由两个电机单独驱动做方向相反的旋转运动，在弹性装置的弹力作用下按压在船体表面，对船体施加正压力实现清刷船体附着物的作用[3]。操作者通过PC控制界面可以直观、灵活地控制清污器边移动边清刷，清污效率高。其总体系统架构如图1所示。
2 技术方案分析
2.1 机械本体设计方案
(1) 移动方式的选择
目前壁面移动机器人的移动方式主要有步行式、车轮式和履带式三种[4]。步行式依靠多个脚肢或框架与壁面的交替吸附和脱落实现移动，承载能力强，但是运动不连贯，移动速度慢。特别是在船首和船尾，由于船体表面的曲面形状复杂，步态的控制就会显得相当困难。车轮式往往配置多个轮子，由电机独立驱动，移动速度快，运动灵活，转向的控制简便。纯滚动的转向方式在原地转向过程中和壁面接触区主要呈现为滚动摩擦，转向功耗小。但车轮与壁面的接触形式是线接触甚至为点接触，接触面积小，在同样的吸附力作用下，产生的最大静摩擦力小，对壁面的附着能力差。履带式由电机驱动两条履带，调节履带的转速差来控制前进速度和方向。跟壁面的接触面积大，承载能力强，对壁面的适应能力强。但体积和重量大，所需要的驱动力大，不易实现转弯，在原地转向的过程中和壁面接触区主要呈滑动摩擦，转向功耗大。考虑到船体表面复杂的作业环境、清污器自身重量大对壁面的附着能力要求高，我们采用履带和车轮的复合移动方式。如图2所示，清污器左右两边的驱动模块采用载荷分散式柔性履带结构，能极强地适应船体表面的曲率变化，保证有效的接触面积。中间主体模块的底盘上装有四个磁性万向轮，一方面增大了磁吸附力，另一方面将电磁吸盘和船体相隔离，形成电磁间隙式吸附，大大减少了主体模块在运动中的摩擦阻力[5]。
(2) 吸附方式的选择
壁面移动机器人的吸附方式主要有真空吸附、推力吸附和磁吸附三种[6]。真空吸附主要利用真空泵使吸盘内腔产生负压或由喷射器将压缩空气从喷嘴中喷出，使机器人底部形成真空，最终吸附在壁面上。在玻璃、瓷砖、混凝土墙面的表面都可以适用，它不受壁面材料的限制，但是当壁面凹凸不平，裂缝、障碍物比较多时，容易造成吸盘漏气，会大大降低吸附和负重能力。推力吸附主要利用螺旋桨或涵道风扇推动水和空气等流体的流动，在流体的反向推力作用下，吸附在壁面上。此种吸附方式对壁面的适应能力强，可轻易实现越障，但推力装置的体积大、效率低，在运行过程中产生的振动和噪声剧烈，并且对机器人本体会产生反向的扭矩作用，难以控制。清刷下来的杂物容易从车叶的入口吸入，打伤车叶，缩短了推力装置的使用寿命。磁吸附分为永磁吸附和电磁吸附两种，它利用磁力吸附在导磁材料的壁面。此种吸附方式要求壁面必须是导磁材料，对壁面的凹凸适应能力强，结构简单，无漏气、振动大等问题。考虑到船体是导磁性材料，且附着的海洋生物、船体固有的焊缝使船体表面凹凸不平，船体遥控清污器采用永磁和电磁的复合吸附方式。永磁吸附能避免清污器因为意外断电、控制部件发生故障导致电磁吸附失效而脱离船体表面。电磁吸附能解决清污器单纯依靠永磁吸附所带来的放上取下不便的问题，弥补永磁吸力的不足。采用永磁履带和电磁吸附的复合吸附方式，使清污器的附着面积大、重心低、吸附更加可靠平稳。
(3) 驱动方式的选择
清污器的的工作环境是在水下，离甲板距离较远。如果将液压油源跟清污器相分离，安置在甲板上，有高压油流经的液压管路会对清污器的运动形成干扰。如果将液压油源安装在清污器上，油箱和液压泵会加大清污器的体积和重量，进而影响吸附的可靠性，增加了克服自重的功率损失。考虑到上位PC机和清污器采用可靠的有线遥控，并且清污器的功耗很大，所以采用外接电源的电气驱动。再加上清污器特殊的作业环境，以及近年来交流伺服电机的迅速发展应用，清污器两个后轮采用两个独立的交流伺服电机驱动。伺服电机是高转速、低扭矩的驱动部件，电机的输出轴要经过减速器进行减速，才能达到所需的转速和扭矩的要求。对此，清污器采用行星轮减速器和蜗轮蜗杆减速器两级减速。利用行星轮作为一级减速，减少了蜗杆传动的功率损耗。单头蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角，使蜗杆传动具有自锁性，有效地解决了清污器在自身重力作用下沿船体表面下滚的问题，使交流伺服电机的控制更简单[7]。
2.2 控制系统方案设计
清污器控制系统的功能就是通过传感器接收外部信号，并加以转化、分析、判断和处理，通过输出接口发出控制指令，协调控制各部件的工作，使清污器完成期望的清刷作业，同时完成各系统的状态显示和实时监控。上位机即带有LCD显示器的PC机，用Visual Studio 2008架构了清污器的控制界面，它完成了整个清污器系统的管理。
通过“清污器前方状况”视频窗口的四个箭头按钮可以控制两自由度机械手的运动轨迹，进而控制前摄像头的位置，方便快捷的观察船体表面污染物附着状况。通过与后摄像头相连的“清污后船体状况”视频窗口，能实时地检查清污效果。通过设定方向、速度下拉框中的运动参数，能很好的控制清污器前、后、左、右运动和原地转动。图3中显示：清污器处于水下5米的深处，利用电磁吸附和永磁吸附静止附着在船体表面，正在进行清刷作业，同时，前摄像头向左扫描。下位机位于清污器本体的控制箱内，其核心是DSP处理器。考虑到清污过程对视频设备的依赖性强，处理器选用TI公司的DM64X DSP，该处理器比较高端，有专用的视频接口，是视频处理专用DSP，它将前后摄像头采集的图像信息通过双绞线传给上位机。
2.3 清刷作业装置设计方案
清刷作业装置由支架、动力执行元件及刷具组成[8]。刷具由刷盘、弹性装置组成。刷丝在清污过程中会不断损耗，为保证清污效果，刷盘要定时更换。为了节省清污成本，刷盘底座选用两层木料制作，并用粘合剂和铆钉进行加固，通过四个螺栓固定在弹性装置的法兰盘上。为实现高效率的清刷，要求刷丝具有硬度高，弹性好的性能，刷丝一般由淬火不锈钢丝制成。根据船体清污难度的不同，刷丝的粗细和编织形状也不同，主要有分散束状的细刷丝和扭转缠绕的粗刷丝两种，如图4所示。弹性装置通过螺钉固定在支架上，使刷盘具有一定的伸缩性，始终以有效的压力与船体相接触，保证了清污效果。驱动刷具的动力执行元件由电动机、联轴器、减速器构成。从清污器本体的受力情况考虑，两个刷盘在两个电机的独立驱动下做方向相反的旋转。电机、支架固定在清污器本体上，两个蜗轮蜗杆减速器安装在铝合金支架上。
3 结论
结合壁面移动机器人的研究现状和船体清污在海洋中作业的特殊环境，提出了我们对研制新型船体遥控清污器的总体方案。该清污器具有以下突出特点：
（1）采用永磁和电磁的复合吸附方式，使清污器在船体表面的吸附更可靠，放上取下更容易。
（2）基于两自由度机械手结构的摄像头能准确定位，为操作员及时寻找待清污区域提供了便利，清污效率高。
（3）良好的可扩展性。在同一个运动载体上安装不同的作业工具，可完成船体表面缺陷检测、船体水下喷漆等任务。对结构做适当改装，还可以对其它大型海洋工程结构物进行清刷，具有非常广的应用前景。
参考文献
[1]在我国开展船舶水下维修的可行性.中船总平台公司，1990：1-4页.25-27页.
[2]孟庆鑫，王丽慧等. 水下船体表面清刷机器人方案研究.船舶工程，2002(1)：44-46页.
[3] 袁夫彩，孟庆鑫，王立权等.水下清刷装置优化设计及实验.船舶工程. 2004(2)：67-68页.
[4] 潘沛霖，韩秀琴等.日本磁吸附爬壁机器人的研究现状.机器人，Vol.16，No.6，Nov，1994:379-382页.
[5] 全建刚，马培荪等.履带式磁吸附爬壁机器人壁面适应能力的研究.上海交通大学学报.Vol.33.No.7，Jul.1999：851-854页.
[6] 王炎，黄善钧等.壁面爬行机器人的设计与实践.360-367页.
[7] 濮良贵，纪名刚主编.机械设计.高等教育出版社，2006.
[8]吕长生.水下船体表面清刷机器人工程样机的研究.2006(2)：20-30页.