CN115246026A - 一种船舶智能除锈机器人及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，主要包括：机架、动力单元、机械臂、四个行走部，机架为方形结构，四个行走部的结构和连接原理相同并分别安装于机架四个角的位置，每个行走部均可通过一个电磁吸盘吸附固定于船体表面，四个行走部交替摆动可实现除锈机器人在船体表面的移动，机械臂固定安装于机架上侧，机械臂前端安装有工位可互换的刮铲和打磨盘，刮铲可用于铲除厚锈，打磨盘可通过摩擦片清除薄锈，机械臂前端的摄像头可用于识别锈迹的分布情况并检查除锈效果，动力单元固定安装于机架内部的中间位置，动力单元内部集成有锂电池和智能控制***，智能控制***可进行图像数据分析并控制各个动力部件进行动作。

Description

一种船舶智能除锈机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及船舶除锈技术领域，具体涉及一种船舶智能除锈机器人及其使用方法。

背景技术

船舶在海洋中航行一段时间之后，船体外壳表面极易因电化学腐蚀与海洋生物腐蚀而发生锈蚀，即使采用隔离防腐、电化学防腐也无法彻底阻止这一事件的发生，因此需要定期对船舶表面进行除锈清理。目前，主要的船体表面除锈方法可分为以下三类：1、人工船舶除锈；2、化学船舶除锈；3、机械船舶除锈。其中人工船舶除锈是应用时间最长，适用范围最广的船舶除锈方法。人工船舶除锈以人力为主要劳动力，除锈工人配备有榔头、铲刀、刮刀、钢丝刷等除锈工具。但人工除锈效率低、除锈质量差。而化学船舶除锈是利用酸与金属氧化物发生复分解反应生成可溶性金属离子盐从而除去船舶表面的锈蚀层的一种船舶除锈方法。相较于人工船舶除锈，化学除锈成本较高，且对作业环境的要求也较高，其一般只能在车间内操作，不适用于船坞作业。此外，化学除锈过程中，尚未腐蚀的钢材也会被酸腐蚀，易对船舶造成不可逆转的损伤。而且化学除锈所产生的废水属于危险废物，危险废物的处理难度和处理成本极高，不符合环境保护要求且不利于企业的可持续发展。相较于人工船舶除锈与化学船舶除锈，机械船舶除锈具有高效、廉价的优势。

现有的机械船舶除锈主要有喷砂除锈和超高压水喷射除锈。其中喷砂除锈采用压缩空气为动力，形成高速喷射束后将喷料高速喷射到生锈的船舶表面，使锈蚀层在喷料的高速撞击下从船舶表面脱落下来，从而达到船舶表面除锈的目的，但该方法能耗高，粉尘与噪声污染极大，劳动用工密集。超高压水喷射除锈则是利用高压水产生***，使水压达到1500bar以上，再利用高压水的超高动能使锈蚀层在与射流水碰撞过程中发生脱落。但是该方法也有一定的局限性；一方面，由于水的杨氏模量非常小，无论水压达到多大，都难以使处理后的钢材表面达到足够高的光洁度，使得二次喷涂的螯合度不够好，涂料容易起皮鼓泡脱落；另一方面，高压水处理后的钢材极易产生闪锈，而闪锈的处理往往依赖于复杂而又昂贵的水性防闪锈剂。水性防闪锈剂的使用会增加除锈成本，另外水性的防闪锈剂会大幅降低后续涂装的油性涂料与船舶表面间的粘附力。

综合上述船舶除锈方法与除锈难点，在船舶表面除锈作业过程中，开发出一种无需利用水资源，能有效降能耗，无粉尘污染，无需污水处理，低用工成本的高效率除锈装置尤为重要。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自动化程度高、环保节能、低使用成本、智能化程度高的除锈机器人及其使用方法，

本发明采取的技术方案为：一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，主要包括：机架、动力单元、机械臂、第一行走部、第二行走部、第三行走部、第四行走部，其特征在于：机架为方形结构，四个行走部的结构和连接原理相同并分别安装于机架四个角的位置，每个行走部均可通过一个电磁吸盘吸附固定于船体表面，四个行走部交替摆动可实现除锈机器人在船体表面的移动，机械臂固定安装于机架上侧，机械臂前端安装有工位可互换的刮铲和打磨盘，刮铲可用于铲除厚锈，打磨盘可通过摩擦片清除薄锈，机械臂前端的摄像头可用于识别锈迹的分布情况并检查除锈效果，动力单元固定安装于机架内部的中间位置，动力单元内部集成有锂电池和智能控制***，锂电池可进行充放电并为除锈机器人提供电力，智能控制***可进行图像数据分析并控制各个动力部件进行动作。

优选的，所述的第一行走部主要包括摆腿电机、摆动架、大腿杆、小腿杆、复位弹簧、电磁吸盘，其中摆动架安装于机架右侧前端并构成转动副，摆腿电机固定安装于机架上侧并可驱动摆动架的转动，大腿杆与摆动架转动连接，小腿杆与大腿杆转动连接，电磁吸盘安装于小腿杆下端并构成球面副，三个复位弹簧安装于电磁吸盘上端并可使电磁吸盘恢复到中间位置。

摆动架的左右摆动可实现除锈机器人的移动，大腿杆可上下摆动，小腿杆可左右摆动，使第一行走部具有较强的越障能力，四个行走部共同作用可使除锈机器人翻越凸起和凹坑障碍，使除锈机器人具有较强的通过性。

优选的，所述的小腿杆下端设有复位环，三个复位弹簧连接于复位环与电磁吸盘上端之间，并且三个复位弹簧成周向等角度均匀分布。

无论电磁吸盘朝任何方向摆动后均可在三个复位弹簧的拉力作用下进行复位，方便电磁吸盘再次与船体表面接触时能够根据船体表面曲度进行摆动。

优选的，所述机械臂中的底座固定安装于机架上侧，第一关节与底座转动连接，第一节臂与第一关节转动连接，第二关节与第一节臂转动连接，第二节臂与第二关节转动连接，第三关节与第二节臂转动连接，转台与第三关节转动连接，转换板安装于转台前端；摄像头安装于第三关节上侧，用于实时观测锈迹的分布情况和除锈效果。

机械臂具有六个空间自由度，可完全适应不同部位、不同角度的锈迹清理。

优选的，所述的摄像头上集成有高清视觉摄像头和高清红外摄像头，两个摄像头均可进行左右摆动和上下摆动，以实现视野角度的调节。

当光线良好时可采用高清视觉摄像头进行图像采集，当光线较为昏暗时可采用高清红外摄像头进行图像采集。

优选的，所述的转换板右端安装有打磨电机，打磨电机的输出轴与打磨盘紧固连接，打磨盘的外端面设有圆形的摩擦片。

摩擦片易于拆卸和更换，保证了打磨盘具有较好的打磨效果。

优选的，所述的打磨盘为具有一定弹性的圆盘结构。

打磨盘具有的弹性方便打磨片根据压力自适应变形。

优选的，所述的转换板左端设有刮铲，刮铲电机安装于转换板左端上侧，刮铲电机通过偏心轮实现刮铲的往复移动。

往复移动的刮铲可模拟人工刮铲动作，对厚锈位置进行多次重复刮铲，直至将厚锈铲除，具有较高的除锈效率。

优选的，所述的刮铲后端横向设有横槽，偏心轮下侧设有偏心轴，并且偏心轴位于横槽中。

偏心轮的结构方便刮铲实现往复移动。

优选的，所述的刮铲前端设有扁平且宽的刃口。

刃口方便刮铲对厚锈进行清理。

本发明的有益效果：

(1)除锈机器人设有四个行走部，并且四个行走部具有对称性，可以前后行走也可以左右行走，并不需要进行繁琐的转向动作，这使得除锈机器人可以灵活地在船体表面行走，并且在行走过程中，始终有三个行走部提供支撑，可保证除锈机器人具有较高的稳定性。

(2)每个行走部上均设有一个电磁吸盘，电磁吸盘通电后可产生磁场并紧紧吸附于钢制船体表面，实现除锈机器人在船体表面的定位，并且电磁吸盘与行走部之间构成球面副，从而使电磁吸盘可根据船体表面的曲度进行摆动，使电磁吸盘与船体表面具有较好的贴合度，增强电磁吸盘与船体表面连接的稳定性。

(4)每个电磁吸盘上端均设有三个复位弹簧，并且三个复位弹簧周向等角度均布设置，无论电磁吸盘朝任何方向摆动后均可在三个复位弹簧的拉力作用下进行复位，方便电磁吸盘再次与船体表面接触时能够根据船体表面曲度进行摆动。

(5)机械臂具有六个空间自由度，其前端的转换板可进行360°回转和定位，从而可以灵活地改变刮铲和打磨盘的工位，其中刮铲可通过往复动作清除成块状或片状的厚锈，打磨盘可通过摩擦片清除薄锈，并将船体表面打磨平整。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中拆卸机械臂后的整体结构示意图。

图3为第一行走部的结构示意图。

图4为电磁吸盘位置的剖面结构示意图。

图5为机械臂的结构示意图。

图6为刮铲后端的剖面结构示意图。

附图标号：1机架、2动力单元、3机械臂、4第一行走部、5第二行走部、6第三行走部、7第四行走部、8摆腿电机、9摆动架、9.1转轴、10第一电缸、11第二电缸、12大腿杆、13小腿杆、13.1复位环、14复位弹簧、15电磁吸盘、16底座、17第一关节、18第一节臂、19第二关节、20第二节臂、21第三关节、22转台、23摄像头、24转换板、25打磨电机、26打磨盘、27摩擦片、28刮铲、28.1横槽、29刮铲电机、30偏心轮、30.1偏心轴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1、图2所示，一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，主要包括机架1、动力单元2、机械臂3、第一行走部4、第二行走部5、第三行走部6、第四行走部7，其中，机架1为方形结构，四个行走部分别安装于机架1四个角的位置，四个行走部交替摆动可实现除锈机器人在船体表面的移动，机械臂3固定安装于机架1上侧，机械臂3可用于识别锈迹的分布情况并可将锈迹清理干净，动力单元2固定安装于机架1内部的中间位置，动力单元2内部集成有锂电池和智能控制***，锂电池可进行充放电并为除锈机器人提供电力，智能控制***可进行图像数据分析并控制各个动力部件进行动作。

如图2、图3所示，第一行走部4、第二行走部5、第三行走部6、第四行走部7的结构和连接原理相同，以下以第一行走部4为例；第一行走部4包括摆腿电机8、摆动架9、第一电缸10、第二电缸11、大腿杆12、小腿杆13、复位弹簧14、电磁吸盘15，其中摆动架9右端竖向设有转轴9.1，摆动架9通过转轴9.1安装于机架1右侧前端并构成转动副，所述的摆腿电机8固定安装于机架1右侧前端上侧，并且转轴9.1与摆腿电机8的输出轴孔同轴紧固连接，从而摆腿电机8可控制第一行走部4的前后摆动；所述的大腿杆12下端与摆动架9左侧下端转动连接，第一电缸10的上端与大腿杆12上侧转动连接，第一电缸10下端与摆动架9左侧上端转动连接，从而第一电缸10可通过伸缩控制大腿杆12的上下摆动，所述的小腿杆13与大腿杆12前端转动连接，所述的第二电缸11上端与小腿杆13上端转动连接，第二电缸11下端与大腿杆12转动连接，从而第二电缸11可通过伸缩控制小腿杆13的左右摆动。

如图4所示，所述的小腿杆13下端设有一个球窝，球窝的上下两端设有两个贯通的喇叭口，球窝上端外侧还设有复位环13.1；所述的电磁吸盘15下端设有电磁铁结构，电磁铁结构通电后可产生磁场，使电磁吸盘15紧紧吸附于钢制的船体表面，电磁吸盘15上端设有一个球面结构，球面结构安装于球窝中构成球面副，从而可根据船体表面的曲度随动调节电磁吸盘15的摆动角度；所述的三个复位弹簧14连接于复位环13.1与电磁吸盘15之间，三个复位弹簧14成周向均匀分布，电磁吸盘15可在三个复位弹簧14的拉力作用下恢复到中间位置。

如图5所示，所述的机械臂3包括底座16、第一关节17、第一节臂18、第二关节19、第二节臂20、第三关节21、转台22、摄像头23、转换板24、打磨电机25、打磨盘26、摩擦片27、刮铲28、刮铲电机29、偏心轮30，其中，底座16固定安装于机架1上侧中间位置，第一关节17下端安装于底座16上端构成转动副，并且转动轴为竖直方向，第一节臂18下端与第一关节17转动连接，并且转动轴为横向水平方向，第二关节19与第一节臂18上端转动连接，并且转动轴为横向水平方向，第二节臂20后端与第二关节19转动连接，并且转动轴为纵向水平方向，第三关节21与第二节臂20前端转动连接，并且转动轴为横向水平方向，转台22与第三关节21转动连接，并且转动轴为纵向水平方向，所述的转换板24紧固安装于转台22前端；所述的摄像头23上集成有高清视觉摄像头和高清红外摄像头，两个摄像头均可进行左右摆动和上下摆动，以实现视野角度的调节，摄像头23安装于第三关节21上侧，用于实时观测锈迹的分布情况和除锈效果。

如图5所示，所述的打磨电机25固定安装于转换板24右端，打磨盘26为具有一定弹性的圆盘结构，打磨盘26与打磨电机25的输出轴紧固连接，打磨盘26的外端面设有圆形的摩擦片27，摩擦片27与打磨盘26之间可采用魔术贴的结构进行连接，便于摩擦片27的拆卸和更换，摩擦片27的外侧面为砂纸面结构，从而打磨电机25可通过打磨盘26驱动摩擦片27的旋转，使摩擦片27可对船体表面较薄的锈迹进行打磨清理。

如图5、图6所示，所述的转换板24左端纵向设有一个方孔，所述的刮铲28前端设有扁平且宽的刃口，刮铲28中间为方杆结构，刮铲28后端横向设有横槽28.1，刮铲28中间的方杆结构安装于转换板24左端的方孔中，并可前后移动，所述的刮铲电机29固定安装于转换板24的左端上侧，刮铲电机29的输出轴与偏心轮30中心的一侧紧固连接，偏心轮30下侧设有偏心轴30.1，偏心轴30.1位于偏心轮30中心的另一侧，从而刮铲电机29的输出轴与偏心轴30.1之间存在偏心间距，并且偏心轴30.1位于横槽28.1中，从而刮铲电机29可驱动偏心轮30转动，进而偏心轴30.1转动可带动横槽28.1前后移动，也即是刮铲28可进行往复前后移动，可将船体表面较厚的锈迹铲除。

除锈机器人的行走方法：由于四个行走部的位置和结构具有对称性，因此除锈机器人可前后行走也可左右行走；

向前行走时，第二行走部5、第三行走部6、第四行走部7上的电磁吸盘通电并紧紧吸附于钢制船体，第一行走部4上的电磁吸盘15断电并解除吸力后，第一行走部4向前摆动一定幅度后落下并使电磁吸盘15通电吸附船体，之后第二行走部5上的电磁吸盘断电并解除吸力后，第二行走部5向前摆动一定幅度后落下并使电磁吸盘通电吸附船体，之后第三行走部6上的电磁吸盘断电并解除吸力后，第三行走部6向前摆动一定幅度后落下并使电磁吸盘通电吸附船体，之后第四行走部7上的电磁吸盘断电并解除吸力后，第四行走部7向前摆动一定幅度后落下并使电磁吸盘通电吸附船体，之后四个摆腿电机8共同作用，使机架1向前移动一个距离单位，重复上述动作过程，除锈机器人便可实现连续的向前移动；向后行走时，四个行走部按照上述原理依次向后摆动。

左右行走时，四个行走部的动作原理与前后行走时相同，四个行走部的摆动方向由前后摆动变为左右摆动。

除锈机器人的除锈方法：按照钢材生锈的程度可分为薄锈和厚锈，薄锈多形成于甲板或新钢材的表面，厚锈多形成于阴暗潮湿且不常清理的地方，厚锈多成块状或片状。

处理薄锈时，首先摄像头23对锈迹位置进行图像采集，并将数据传递至控制***，经控制***进行分析后，机械臂3动作并使摩擦片27对准生锈位置，打磨电机25启动并使摩擦片27高速旋转，通过摩擦作用将锈迹打磨干净。

处理厚锈时，首先摄像头23对锈迹位置进行图像采集，并将数据传递至控制***，经控制***进行分析后，机械臂3动作并使刮铲28前端的刃口对准生锈位置，刮铲电机29启动并使刮铲28高速往复移动，通过刮铲28依次将厚锈进行铲除，之后再使摩擦片27对准生锈位置，打磨电机25启动并使摩擦片27高速旋转，通过摩擦作用将锈迹彻底打磨干净。

Claims (10)

1.一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，主要包括：机架(1)、动力单元(2)、机械臂(3)、第一行走部(4)、第二行走部(5)、第三行走部(6)、第四行走部(7)，其特征在于：机架(1)为方形结构，四个行走部的结构和连接原理相同并分别安装于机架(1)四个角的位置，每个行走部均可通过一个电磁吸盘(15)吸附固定于船体表面，四个行走部交替摆动可实现除锈机器人在船体表面的移动，机械臂(3)固定安装于机架(1)上侧，机械臂(3)前端安装有工位可互换的刮铲(28)和打磨盘(26)，刮铲(28)可用于铲除厚锈，打磨盘(26)可通过摩擦片(27)清除薄锈，机械臂(3)前端的摄像头(23)可用于识别锈迹的分布情况并检查除锈效果，动力单元(2)固定安装于机架(1)内部的中间位置，动力单元(2)内部集成有锂电池和智能控制***，锂电池可进行充放电并为除锈机器人提供电力，智能控制***可进行图像数据分析并控制各个动力部件进行动作。

2.根据权利要求1所述的一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，其特征在于：所述的第一行走部(4)主要包括摆腿电机(8)、摆动架(9)、大腿杆(12)、小腿杆(13)、复位弹簧(14)、电磁吸盘(15)，其中摆动架(9)安装于机架(1)右侧前端并构成转动副，摆腿电机(8)固定安装于机架(1)上侧并可驱动摆动架(9)的转动，大腿杆(12)与摆动架(9)转动连接，小腿杆(13)与大腿杆(12)转动连接，电磁吸盘(15)安装于小腿杆(13)下端并构成球面副，三个复位弹簧(14)安装于电磁吸盘(15)上端并可使电磁吸盘(15)恢复到中间位置。

3.根据权利要求2所述的一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，其特征在于：所述的小腿杆(13)下端设有复位环(13.1)，三个复位弹簧(14)连接于复位环(13.1)与电磁吸盘(15)上端之间，并且三个复位弹簧(14)成周向等角度均匀分布。

4.根据权利要求1所述的一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，其特征在于：所述机械臂(3)中的底座(16)固定安装于机架(1)上侧，第一关节(17)与底座(16)转动连接，第一节臂(18)与第一关节(17)转动连接，第二关节(19)与第一节臂(18)转动连接，第二节臂(20)与第二关节(19)转动连接，第三关节(21)与第二节臂(20)转动连接，转台(22)与第三关节(21)转动连接，转换板(24)安装于转台(22)前端；摄像头(23)安装于第三关节(21)上侧，用于实时观测锈迹的分布情况和除锈效果。

5.根据权利要求4所述的一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，其特征在于：所述的摄像头(23)上集成有高清视觉摄像头和高清红外摄像头，两个摄像头均可进行左右摆动和上下摆动，以实现视野角度的调节。

6.根据权利要求4所述的一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，其特征在于：所述的转换板(24)右端安装有打磨电机(25)，打磨电机(25)的输出轴与打磨盘(26)紧固连接，打磨盘(26)的外端面设有圆形的摩擦片(27)。

7.根据权利要求6所述的一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，其特征在于：所述的打磨盘(26)为具有一定弹性的圆盘结构。

8.根据权利要求4所述的一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，其特征在于：所述的转换板(24)左端设有刮铲(28)，刮铲电机(29)安装于转换板(24)左端上侧，刮铲电机(29)通过偏心轮(30)实现刮铲(28)的往复移动。

9.根据权利要求8所述的一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，其特征在于：所述的刮铲(28)后端横向设有横槽(28.1)，偏心轮(30)下侧设有偏心轴(30.1)，并且偏心轴(30.1)位于横槽(28.1)中。

10.根据权利要求8所述的一种船舶智能除锈机器人及其使用方法，其特征在于：所述的刮铲(28)前端设有扁平且宽的刃口。

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