一种针对中大型船舶的清洗机器人的制作方法

本发明涉及水下船舶清洗机器人，具体涉及一种适配中大型船舶复杂曲面船体、具备自主水下吸附行走与全覆无死角清洗功能的水下清洗机器人。

背景技术：

1、随着全球航运业的持续发展，中大型船舶的保有量与日俱增。船舶在长期航行过程中，船体水下部分极易附着海生物（如藤壶、贝类、藻类）及锈蚀层，这会显著增加航行阻力，导致燃油消耗上升、航速下降，并加速船体腐蚀，给航运企业带来巨大的经济损失和安全隐患。因此，定期对船舶水下船体进行清洗维护至关重要。传统清洗方式主要依赖人工水下作业或船舶进坞维修。人工潜水清洗不仅效率低、成本高，而且受水深、海流等环境因素限制，存在较高的安全风险；进坞清洗则耗时漫长，导致船舶长时间停运，经济代价巨大。由此，水下清洗机器人应运而生。此类设备能够自主或遥控贴附船体表面，执行清洗任务，无需船舶进坞或人员下水，显著提升清洗效率与安全性。然而，现有水下清洗机器人多面向小型船舶或平坦表面设计，对于船体曲率变化复杂、表面积庞大的中大型船舶，存在吸附稳定性不足、越障能力弱、清洗覆盖不均匀等问题。因此，开发一种适应中大型船舶复杂表面环境、具备高可靠性与高效作业能力的专用清洗机器人，具有迫切的市场需求和重要的工程应用价值。

2、全球航运产业持续扩张，中大型货运船舶、远洋船舶保有量逐年提升。船舶长期水下航行过程中，船体外板极易附着藤壶、贝类、海藻等海洋附着生物，同时海水腐蚀会形成锈蚀层。海洋附着物会大幅增大船舶航行水阻，直接造成燃油消耗激增、额定航速下降；船体锈蚀则持续破坏船板结构强度，带来船体渗漏、结构失效等安全隐患，因此水下船体定期清洗是船舶运维必不可少的工序。现有船舶水下清洗主要分为两种传统模式：一是人工潜水清洗，潜水员携带高压清洗设备下水作业，作业效率低下、单船清洗周期长，且深海、急流、浑浊水域作业时潜水人员溺水、磕碰、高压水击伤风险极高，人工运维成本高昂；二是干船坞进坞清洗，船舶需停航驶入船坞排水检修，船舶停港周期长达数天至十余天，大幅降低船舶营运时效，造成航运企业巨额停运经济损失。

3、为替代人工与干坞清洗，水下吸附清洗机器人逐步投入应用，但现有水下清洗设备大多针对小型船舶、平直船板开发，针对吨位大、船体曲率多变、总表面积巨大的中大型船舶存在明显缺陷：

4、1.吸附稳定性差：永磁吸附机构无自适应摆动结构，仅适配平面船板，船首、船尾、船舷弧形曲面处磁吸贴合间隙大，吸附力不足，作业时易打滑、脱落；

5、2.越障与曲面适配能力弱：行走轮固定安装，无法随船体曲面自适应偏转，凸起焊缝、弧形过渡区域无法紧密贴合，行走卡顿；

6、3.清洗覆盖存在盲区：清洗刷盘排布方式单一，相邻刷盘之间存在清洗空白区域，需多次往复作业，清洗效率低；

7、4.水下姿态调节受限：推进器数量少、布置形式单一，水下浮游布放、姿态调整灵活性不足，难以精准贴靠大型船体侧面；

8、5.安全防护机制缺失：无主动脱离机构，机器人吸附卡死时无法自主脱离船体；液压油路无压力补偿结构，深水高压环境下密封渗漏无法实时预警，易出现设备失效、油污污染海水问题。

9、综上，现有水下清洗机器人无法满足中大型船舶复杂曲面、大面积、高稳定性、高安全性的水下清洗作业需求，亟需开发一款适配中大型船舶、曲面自适应、全向可控、多重安全防护的专用水下清洗机器人。

技术实现思路

1、本发明提出一种针对中大型船舶的清洗机器人，针对现有技术存在的吸附不稳、曲面适配差、清洗有死角、水下机动弱、安全防护不足等缺陷，实现复杂曲面船体稳定吸附行走、无死角全覆盖清洗、水下多自由度灵活浮游布放回收、卡死自动脱离、深水液压渗漏实时预警，提升中大型船舶水下清洗效率与作业安全性。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种针对中大型船舶的清洗机器人，包括机器人框架1、磁吸驱动模块2、磁吸转向模块3、浮游推进模块4、液压清洗模块5、电子集成模块6、观测模块7、脱离模块8、浮力平衡块9、防漏水内部油压补偿系统10；所述机器人框架1为双层焊接式承载框架，作为整机所有模块统一安装基体接一体化成型；所述磁吸驱动模块2、磁吸转向模块3配合组成三点磁吸行走支撑机构，实现船体曲面吸附与行走转向；所述浮游推进模块4 装配于机器人框架1外周，提供水下多自由度浮游动力；所述液压清洗模块5布置于机器人框架1前端，用于清除船体海生物与锈蚀层；所述电子集成模块6集成整机供电、驱动、传感与主控单元；所述观测模块7实现水下全域实时视觉监测；所述脱离模块8对称布置于机器人框架1四角，用于克服磁吸力将整机推离船板；所述浮力平衡块9 固定于机器人框架1上部，平衡整机水中自重实现近零浮力；所述防漏水内部油压补偿系统10与液压清洗模块5油路连通，完成深水油压补偿与油路渗漏实时预警。

4、作为优选实施例，所述磁吸驱动模块2左右对称安装于机器人框架1 中线两侧，包含人字花纹橡胶轮2-1、永磁铁2-2、驱动电机2-3、壳体及其他部件2-4、固定轴 2-5、旋转轴2-6、连接框架 2-7；所述连接框架2-7与机器人框架1刚性固连，磁吸驱动模块2整体可绕固定轴2-5转动，旋转轴2-6限定模块摆动幅度以适配船体曲面；每组磁吸驱动模块2设置两个人字花纹橡胶轮2-1，外侧人字花纹橡胶轮2-1与驱动电机2-3动力轴相连作为主动轮，内侧人字花纹橡胶轮2-1为从动随动轮；所述永磁铁2-2为定向阵列永磁体，持续向船板施加磁吸下压力，保障橡胶轮与弧形船板紧密贴合；整机转向依靠左右两组磁吸驱动模块2差速运转提供动力。

5、作为优选实施例，所述磁吸转向模块3固定安装在机器人框架1尾部，与两组磁吸驱动模块2共同构成三点磁吸支撑结构；磁吸转向模块3包含全向轮3-1、永磁铁3-2、结构件3-3；所述全向轮3-1由大主轮与环绕主轮的小型副轮组合而成，可在平面内任意方向滚动；永磁铁3-2固定于全向轮3-1中部，结构件3-3将磁吸转向模块3锁紧固定至机器人框架1；磁吸转向模块3无独立动力与执行机构，仅随磁吸驱动模块2差速运动被动转向。

6、作为优选实施例，所述浮游推进模块4由八台同型号水下推进器组成，四台推进器垂直机器人框架1对称布置提供竖直升降推力，另外四台推进器平行机器人框架1水平对称布置提供前后、左右水平推力；八台推进器协同控制，可实现机器人水下上浮、下潜、平移、侧翻、旋转多姿态动作，完成水下贴靠船体、作业后浮游回收全流程。

7、作为优选实施例，所述液压清洗模块5包括液压刷盘5-1、水下油箱5-2、四联泵5-3、驱动电机5-4、调节阀块5-5；所述液压刷盘5-1内置液压马达与刷盘本体，共四组液压刷盘5-1呈n型交错排布，消除相邻刷盘之间清洗盲区；水下油箱5-2用于存储系统液压油，驱动电机5-4驱动四联泵5-3抽取液压油输送至各液压刷盘5-1；调节阀块5-5串联接入液压油路，调节油路通断与液压油流量，以此控制液压刷盘5-1旋转转速，刷盘高速转动同步产生负压吸附力强化船体贴合效果。

8、作为优选实施例，所述电子集成模块 6 包括大电机驱动器舱 6-1、小电机驱动器舱 6-2、电源及控制舱 6-3、脐带缆分线盒 6-4；大电机驱动器舱6-1密封收纳液压清洗模块驱动电机配套驱动器，小电机驱动器舱6-2密封收纳磁吸驱动模块驱动电机配套驱动器；电源及控制舱6-3内置整机供电单元、imu 惯性测量单元、深度传感器与主控控制器；脐带缆分线盒6-4作为岸基脐带缆接入端，将外部供电、控制信号分路输送至各密封电气舱，实现岸基远程操控。

9、作为优选实施例，所述观测模块7包括保护连接件7-1以及五台自带集成照明灯光的水下相机；五台水下相机分别对应机器人前、后、左、右、底部共五个观测方位，形成 360°无死角全域视觉监测，实时向岸基控制台回传水下环境、船体曲面及清洗作业效果画面。

10、作为优选实施例，所述脱离模块8包含四组脱离模块推杆，四组推杆对称分布在机器人框架1四角且靠近磁吸驱动模块2、磁吸转向模块3 磁吸点位；单组脱离模块推杆包括驱动电机 8-1、丝杆8-2、丝杆螺母8-3、伸出杆8-4、推杆脚 8-5、壳体及其他部件 8-6；驱动电机8-1带动丝杆8-2旋转，丝杆螺母8-3随丝杆直线移动并带动伸出杆8-4向前伸出，推杆脚8-5抵压船板产生反向推力，克服永磁吸附力将整机推离船板；完成脱离动作后驱动电机8-1反转，伸出杆8-4自动缩回复位。

11、作为优选实施例，所述浮力平衡块9由上下两块低密度复合材料拼接成型，外表面喷涂耐磨聚脲防护层；浮力平衡块9整体固定于机器人框架1上部，抵消整机各模块水下自重，使机器人无吸附浮游状态下达到近零浮力，降低浮游推进模块4动力消耗，提升水下机动性能。

12、作为优选实施例，所述防漏水内部油压补偿系统10内置补偿弹簧、水压压力组件与拉线位移传感器；深水作业时外部水压配合补偿弹簧平衡液压油路内部压力，抵消深水高压对密封结构的破坏；当油路密封破损发生漏油时，补偿弹簧自动推送内部油液填充泄漏点位，同时拉线位移传感器实时采集油液余量变化信号并传输至岸基控制器，操作人员接收漏油预警后可紧急停机回收设备，避免海洋油污污染与设备失效损坏。

13、本发明技术方案的操作流程基本原理：

14、1、布放浮游阶段：岸基下放机器人至水下，浮游推进模块八台推进器协同工作，控制机器人浮游至目标中大型船舶船体外板侧面，调节姿态完成侧翻，使磁吸驱动模块、磁吸转向模块的永磁体贴合船板；

15、2、吸附行走清洗阶段：永磁体磁力将整机稳定吸附于船体曲面，启动液压清洗模块，四联泵输送液压油驱动四组n型排布液压刷盘旋转清洗；磁吸驱动模块驱动橡胶轮运转带动机身沿船体移动，观测模块实时回传全域画面；转弯作业时，左右磁吸驱动模块采用差速运转，配合尾部全向轮完成平滑转向，曲面行走时磁吸驱动模块可自适应摆动，紧密贴合弧形船板；

16、3、脱离回收阶段：单区域清洗完成或机器人卡死故障时，启动脱离模块，四组推杆同步伸出推开整机脱离船板；浮游推进模块再次工作，驱动机器人浮游至回收点位完成打捞回收；作业全过程油压补偿系统实时监测液压油路渗漏状态，出现漏油立即向岸基发送预警信号。

17、有益效果：本发明一种针对中大型船舶的清洗机器人，可自适应各类船体曲面，吸附行走稳定；n型刷盘无盲区清洗、效率高；八推进器搭配零浮力块，水下机动便捷；模块化结构易维护升级；具备脱离、油压补偿、全景视觉多重防护，安全可靠，节省人工与停航成本，具体包括以下几方面：

18、（1）强曲面自适应吸附行走能力：磁吸驱动模块可摆动调节贴合角度，三点磁吸支撑结构配合人字花纹橡胶轮，适配中大型船舶船首、船尾、船舷各类弧形曲面，永磁体持续提供吸附压力，行走无打滑、脱落现象；

19、（2）全覆盖无死角清洗：四组液压刷盘采用 n 型交错排布，消除刷盘间隙清洗盲区，单次行走即可完整覆盖船体区域，大幅提升清洗作业效率；刷盘旋转自带负压吸附，进一步强化清洗贴合效果；

20、（3）水下机动灵活，布放回收便捷：八推进器分垂直、水平两组布置，可实现水下升降、平移、侧翻、旋转多姿态调节，远距离精准贴靠大型船体，近零浮力浮力平衡块降低推进能耗；

21、（4）模块化设计便于运维升级：整机分为行走、清洗、推进、电控、观测、安全防护独立模块，单一部件故障可单独拆解更换，便于水下检修、功能迭代升级；

22、（5）多重安全防护，作业可靠性高：四角同步推杆脱离机构解决船体卡死无法回收问题；防漏水油压补偿系统平衡深水高压，漏油实时预警，避免液压油污染海洋与设备损毁；全域五目视觉观测模块实时监控水下作业环境，降低水下碰撞风险；无需人员下水、船舶停航进坞，大幅降低船舶清洗人工成本与停运经济损失。