新型水下負(fù)壓-電磁吸附清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)*

瞿思涵 ，趙 淼 ，顧宇琳 ，朱 慧

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226000）

由于船舶長(zhǎng)時(shí)間在海洋環(huán)境下工作，而且許多船舶都是由金屬材料制成，所以表面易遭受海水鹽堿的侵蝕以及難以清除的海底海洋生物的附著。海洋生物的附著污損問(wèn)題嚴(yán)重限制了船舶行業(yè)的發(fā)展，船舶的航行速度會(huì)因此出現(xiàn)顯著性的下降，為保持原有航速，油量也會(huì)明顯增多，從而大幅度提高船舶的運(yùn)輸成本，加大營(yíng)運(yùn)成本。因此，水下清理船體表面作業(yè)刻不容緩。目前，市場(chǎng)上較為廣泛的船體表面清刷主要有塢內(nèi)清刷和水下清刷，但其缺點(diǎn)也較明顯。塢內(nèi)清刷較易增加船舶的停航損失，造成環(huán)境的二次污染；人工水下清刷則會(huì)耗費(fèi)大量人力資源等，成本較高，且具有較高的風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，結(jié)合國(guó)內(nèi)船舶清理工作現(xiàn)狀，為了能夠高效率、低成本地有效清理船體表面，設(shè)計(jì)一種新型水下負(fù)壓-電磁吸附清洗機(jī)器人。

1 總體方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)包括基板、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一、轉(zhuǎn)動(dòng)板、空化射流噴頭、抽氣管、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)二、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和電磁吸附塊等[2]。該結(jié)構(gòu)以基板為主體，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一設(shè)在基板兩側(cè)，轉(zhuǎn)動(dòng)板則連接在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一之間，空化射流噴頭以陣列方式設(shè)置在基板一側(cè)的安裝板上。端部設(shè)有喇叭狀柔性圈的抽氣管通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)連接在基板上的通孔二中，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)二則連接在抽氣管和基板之間。移動(dòng)機(jī)構(gòu)滑動(dòng)安裝在滑槽中[3]，移動(dòng)機(jī)構(gòu)上連接著電磁吸附塊，空心立方體結(jié)構(gòu)的電磁吸附塊，其內(nèi)部空腔中設(shè)置有電磁線圈[4]。基本結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1、圖2所示。

圖1 基本結(jié)構(gòu)示意圖一

圖2 基本結(jié)構(gòu)示意圖二

1.2 局部結(jié)構(gòu)

1.2.1 基板

基板上陣列開(kāi)有通孔一、通孔二位于基板中心部位，基板表面還陣列設(shè)置有四個(gè)滑槽和四個(gè)擋板，基板兩側(cè)設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一之間則由轉(zhuǎn)動(dòng)板連接。空化射流噴頭陣列設(shè)置在安裝板上，并與輸送空化射流的管道相連[5]。端部設(shè)有喇叭狀柔性圈的抽氣管連接在通孔二中，并與抽氣泵相連，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)二則連接在抽氣管和基板之間。電磁吸附塊為空心立方體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部空腔中設(shè)置有電磁線圈，它連接在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，移動(dòng)機(jī)構(gòu)滑動(dòng)安裝在滑槽中。基板結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 新型基板的結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一

轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一中包括電機(jī)一、錐齒輪一和轉(zhuǎn)動(dòng)塊[6]。電機(jī)一連接在基板的側(cè)面上，錐齒輪一連接在電機(jī)一的輸出軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)塊轉(zhuǎn)動(dòng)連接在基板側(cè)面并與轉(zhuǎn)動(dòng)板相連，轉(zhuǎn)動(dòng)塊上有錐形齒面，錐齒輪一與錐形齒面相互嚙合。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一詳圖如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一詳圖

1.2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)二

轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)二包括電機(jī)二、錐齒輪二和錐齒輪三。電機(jī)二連接在基板上，錐齒輪二連接在電機(jī)二的輸出軸上，錐齒輪三連接在抽氣管上且錐齒輪二和錐齒輪三相互嚙合。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)二詳圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)二詳圖

1.2.4 移動(dòng)機(jī)構(gòu)

移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括滑塊、電動(dòng)伸縮桿一和電動(dòng)伸縮桿二。滑塊滑動(dòng)連接在滑槽中，滑塊的一端開(kāi)有凹槽，則電動(dòng)伸縮桿一固定在凹槽中[7]，電動(dòng)伸縮桿一的活動(dòng)端與電磁吸附塊相連，電動(dòng)伸縮桿二連接在擋板和滑塊之間。電磁吸附塊和滑塊的結(jié)構(gòu)圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 電磁吸附塊的結(jié)構(gòu)圖

圖7 滑塊的結(jié)構(gòu)圖

2 工作原理及過(guò)程

首先，通過(guò)使電磁線圈通電產(chǎn)生磁力，將機(jī)器人安裝在船體表面。機(jī)器人在船體表面移動(dòng)主要依靠電動(dòng)伸縮桿的收縮，排氣管對(duì)氣體的掌握，海水對(duì)柔性圈的壓力。因此，機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，操控電動(dòng)伸縮桿二的縮回，直至柔性圈緊貼船舶表面，接著向排氣管中鼓氣，使排氣管中的海水排出，再?gòu)某闅夤苤谐闅鉃槠鋭?chuàng)造負(fù)壓環(huán)境[8]。與此同時(shí)，將電磁線圈斷電，通過(guò)海水對(duì)柔性線圈的壓力將機(jī)器人牢牢固定在船舶表面[9]，然后縮回電動(dòng)伸縮桿二，再啟動(dòng)電動(dòng)伸縮桿一移動(dòng)電磁吸附塊，此刻再給電磁線圈通電產(chǎn)生相應(yīng)的磁力將電磁吸附塊固定，消除排氣管中的負(fù)壓，繼續(xù)伸長(zhǎng)電動(dòng)伸縮桿二后伸長(zhǎng)電動(dòng)伸縮桿一完成基板的移動(dòng)[10]。機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)主要靠電機(jī)二啟動(dòng)和氣管轉(zhuǎn)動(dòng)，在氣管單獨(dú)負(fù)壓吸附時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)二，使基板圍繞排氣管進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作區(qū)域后，機(jī)器控制空化射流噴頭，氣體從中噴出，并可以通過(guò)電機(jī)一來(lái)控制空化射流的方向。

3 新型水下負(fù)壓-電磁吸附清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

3.1 總體優(yōu)點(diǎn)

新型水下負(fù)壓-電磁吸附清洗機(jī)器人無(wú)須讓船舶進(jìn)入船塢，提高了船舶的利用率，大量節(jié)省了入塢的清潔費(fèi)用，避免了傳統(tǒng)清刷技術(shù)而導(dǎo)致的二次污染問(wèn)題；克服了水下人工清刷速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大和安全系數(shù)低等問(wèn)題[11]；采用了四條獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制電磁吸附塊運(yùn)動(dòng)，能根據(jù)船舶表面的實(shí)際形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使得機(jī)器人能更有效地貼合在船體表面，不易脫落。

3.2 突出優(yōu)點(diǎn)

1）通孔一的存在很大程度上減輕了機(jī)器人的自重，減小了機(jī)器人吸附所需的力量。

2）空化射流噴頭設(shè)置在機(jī)器人基板的一側(cè)，可以避免吸附結(jié)構(gòu)吸附到船舶表面的海洋生物上而導(dǎo)致機(jī)器人脫落。

3）電磁吸附塊的底部可以添加一層柔性層，使得電磁吸附塊能夠與船體外表面更加貼合。

4）柔性圈呈喇叭狀更有利于和船體表面的貼合，從而保證抽氣管內(nèi)部負(fù)壓環(huán)境更穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間，船舶水下清洗作業(yè)還有很長(zhǎng)一段路需要走。利用新型水下負(fù)壓-電磁吸附清洗機(jī)器人，能夠較為高效、智能地完成船體表面的清理工作，機(jī)器人還可以根據(jù)不同船型的不同表面進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到更契合船體表面的目的。除此之外，新型水下負(fù)壓-電磁吸附清洗機(jī)器人還可以應(yīng)用到其他海上建筑的清潔中，比如跨海大橋、近海防護(hù)工程、海上燈塔等大型工程建筑，研究發(fā)展前景非常廣闊。