一种适应复杂曲面的水下藤壶清理机器人

本技术涉及水下机器人与船舶清洗，具体公开了一种适应复杂曲面的水下藤壶清理机器人。

背景技术：

1、海洋生物污损是海洋航运、海洋工程领域长期面临的共性技术难题与运维痛点，也是影响船舶航行性能、海洋工程装备使用寿命及海洋资源开发成本的关键因素。海洋环境中存在藤壶、牡蛎、贻贝、海藻、珊瑚等大量附着型海洋生物，其中藤壶等硬壳类污损生物附着力极强、繁殖速度快、附着密度高，是危害最为严重的污损生物类型。此类硬壳生物长期附着于船舶船底、船舷、艏艉区域及海洋平台、水下管道、风电桩基等海洋工程装备表面，会直接改变装备基体的表面形貌与结构特性，大幅提升船体及装备表面粗糙度。

2、对于船舶航行而言，船体表面粗糙度的增加会显著增大航行水动力阻力，根据船舶工程领域实测数据，船底生物污损覆盖率每提升10%，船舶航行阻力可提升8%~15%，直接导致船舶航行油耗大幅增加、续航里程缩短、航行速度下降。据航运行业统计，全球船舶因海洋生物污损造成的燃油损耗占比可达总燃油消耗的15%~30%，不仅极大提升了船舶运营成本，还会因燃油过量燃烧加剧碳排放与污染物排放，不符合当前绿色航运、低碳海洋发展的行业要求。同时，污损生物的附着、代谢及分泌物会持续腐蚀船体涂层与金属基体，破坏船舶防腐保护层，加速船体锈蚀、老化，大幅缩短船舶检修周期与整体使用寿命，增加船舶维保、除锈补漆成本。此外，生物污损还会改变船舶自重与航行平衡，轻微影响船舶操控稳定性，极端工况下易引发航行安全隐患。

3、目前行业内针对海洋生物污损的清理方式仍以传统人工潜水清理为主，辅以岸边高压水枪冲洗、干式喷砂清理等陆上运维手段。其中，人工潜水清理为水下原位清理的主流方式，主要依靠潜水人员携带简易清理工具潜入水下，对船体及海洋工程装备表面的污损生物进行人工铲除、刷洗。但该作业方式存在诸多固有缺陷：其一，水下作业环境复杂，存在水流冲击、水下能见度低、水压高等风险，潜水作业人员安全隐患极大，作业事故率居高不下；其二，人工清理作业效率极低，单船完整清理周期长，无法满足大型船舶、批量海洋工程装备的高效运维需求；其三，人工清理作业质量参差不齐，针对硬质顽固污损难以彻底清除，且人工操作易出现力度失控问题，划伤、磨损船体防腐漆面，造成二次损伤；同时，人工水下作业人力成本、运维成本高昂，大幅提升了海洋装备的日常运维开销。而岸边干式清理需船舶停航上岸、排干积水，作业流程繁琐、停航周期长，严重影响船舶运营效率，无法实现常态化、原位化清理作业。

4、随着水下机器人、智能清洗技术的快速迭代，自动化水下清洗机器人逐步替代人工操作，成为海洋生物污损清理的主流发展方向，有效解决了人工清理安全性差、效率低的问题。但现阶段市面上主流的水下清洗机器人仍存在多项核心技术缺陷，难以适配复杂船体结构与硬质污损高效清理需求，行业适配性与作业性能存在明显瓶颈，具体问题集中体现在以下三个方面：

5、现有水下清洗机器人多采用刚性履带、刚性轮式底盘结构，整体结构可塑性、贴合性极差。船舶船体并非单一平面，其艏艉过渡区、舭龙骨、船舷折角、曲面弧段等关键区域为典型复杂变曲率曲面结构，刚性底盘无法根据船体曲面弧度自适应调节贴合角度与贴合间隙，难以与复杂曲面船体表面紧密贴合。作业过程中，机器人易出现局部悬空、贴合受力不均的问题，直接导致行走移动卡顿、吸附附着力大幅下降，在水流扰动工况下极易出现滑移、脱落、作业失效的情况，无法完成复杂曲面区域的全覆盖清洗作业，存在大量清理盲区。

6、现有机器人的清理执行机构多采用固定转速、固定结构的旋转刷盘式清洗组件，适配性单一，针对藤壶、牡蛎等硬壳类顽固污损清理效果极差。此类硬壳污损生物壳体坚硬、与船体漆面结合强度高，常规旋转刷盘的刷洗作用力有限，仅能冲刷去除表面软质海藻、浮泥及松散附着物，无法彻底破除硬质壳体、剥离基底附着层，清洗后仍存在大量残留污损，清理彻底度不足。同时，刚性刷盘高速旋转作业时，接触压力难以精准调控，针对船体漆面的缓冲保护能力差，在对抗硬质污损刷洗过程中极易剐蹭、磨损船体防腐涂层，造成漆面脱落、基体裸露，引发船体二次腐蚀损伤，得不偿失。

7、现有水下清洗机器人普遍采用单一刷洗作业模式，缺乏针对硬质污垢的前置预处理机制，作业流程单一、智能化程度低。面对“硬质壳体+强力附着基底”的复合型污损结构，常规清洗仅能依靠后置刷盘单向反复刷洗，无破壳、松动预处理工序，清洗阻力大、能耗高、作业效率极低。现有设备无法实现“硬质污损破壳松动、基底附着层剥离、表面精细化刷洗”的一体化递进式清理作业，针对重度硬质污损区域需反复多次往返清洗，作业耗时久、能耗高，大幅限制了水下污损清理的整体作业效率，难以满足船舶及海洋工程装备快速、高效、无损的常态化运维需求。

8、综上所述，当前海洋生物污损清理领域亟需一种可自适应贴合复杂船体曲面、可高效无损清理硬质污损、具备预处理递进式清洗功能的一体化智能水下清洗设备，以解决现有技术安全性差、贴合度低、清理不彻底、易损伤船体、作业效率低的行业痛点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决传统的刚性水下机器人难以适应复杂曲面的限制的问题。

2、为了达到上述目的，本发明的基础方案提供一种兼具高曲面适应性和强力除垢能力的藤壶清理机器人，以提升水下附着稳定性并高效剥离顽固海生物，为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种适应复杂曲面的水下藤壶清理机器人，其特征在于，包括：机体框架，作为机器人的承载主体；常规移动机构，对称设置于所述机体框架的两侧，包括主履带以及设置在履带表面的吸盘组件；复杂曲面移动机构，包括四条独立铰接于所述机体框架四角的吸盘履带外臂，所述吸盘履带外臂能够相对机体框架进行俯仰摆动，以适应变曲率船体表面；清理机构，设置于所述机体框架的前端，包括动力电机、曲柄滑块切刀组件和滚刷组件；所述动力电机通过传动带同时驱动所述曲柄滑块切刀组件进行往复直线切削运动，以及驱动所述滚刷组件进行旋转刷洗运动。

3、进一步，所述四条吸盘履带外臂分别配备有独立的驱动电机和回转关节，当机器人行进至复杂曲面或越障时，外臂通过改变与机体框架的夹角，保持吸盘履带与作业面的最大贴合面积。

4、进一步，所述曲柄滑块切刀组件包括曲柄、连杆、滑块导轨和切刀刀盘；所述动力电机的输出轴通过皮带轮带动所述曲柄旋转，通过连杆将旋转运动转化为滑块在导轨上的往复直线运动，进而带动前端的切刀刀盘对藤壶进行高频冲击与铲切。

5、进一步，所述滚刷组件位于所述切刀刀盘的后方，包括刷轴和周向均布的硬质刷毛；滚刷与曲柄滑块切刀组件形成“先铲后刷”的复合清理流水线。

6、进一步，所述吸盘组件包括若干负压吸盘，均布于主履带和吸盘履带外臂的外部，通过水下泵提供负压或利用被动挤压排水形成真空，实现机器人在垂直船舷或船底倒立状态下的可靠吸附。

7、本技术还公开一种适应复杂曲面的水下藤壶清理机器人的使用方法，包括以下步骤：

8、s1.在机体框架的主履带和吸盘履带外臂上建立负压，使机器人稳定吸附于水下作业面；

9、s2.依据作业面的曲率变化，动态调节四角的吸盘履带外臂的俯仰角度，使履带外表面最大程度贴合复杂曲面，形成多点稳定支撑；

10、s3.启动清理机构的主动力电机，通过传动组件将动力一分为二；

11、s4.利用分流的动力，同步驱动前端的曲柄滑块切刀组件进行高频往复破壳铲切，以及后方的滚刷组件进行高速旋转刷洗，配合机器人的整体推进，实现先铲断然后剥离的流水线作业。

12、进一步，所述步骤s2的具体过程包括：当机器人行进至船首、船艉或舭龙骨等曲面突变区域时，独立的驱动电机控制对应的吸盘履带外臂绕回转关节上仰或下压，以补偿船体表面的几何高差，确保机器人的受力支撑点始终分布在四个以上的切平面上。

13、进一步，所述步骤s4中，高频往复铲切的具体过程为：切刀刀盘在滑块导轨的约束下，以纯往复直线运动的方式将冲击力精准传导至藤壶的钙质底座，破坏其与船体钢板的附着界面；紧随其后的滚刷组件利用机械摩擦将残留的碎壳和底部软质海生物彻底清除脱离。

14、本方案的原理及效果在于：

15、1、与现有技术相比，本发明设有“主吸盘履带+四条可摆动吸盘履带外臂”构型，使机器人能够像多足动物一样灵活调整姿态，完美包覆并适应船舶底部的各类复杂曲面，彻底解决了传统机器人在变曲率表面易脱落的痛点。

16、2、与现有技术相比，本发明设有独创的“曲柄滑块往复切刀+滚刷”复合清理机构，利用高频往复直线铲切力直接破坏藤壶的钙质底座，随后利用滚刷清理残留碎屑，实现了对硬质污损生物的摧毁性剥离，极大提高了清洗效率和洁净度。