用于船舶清理的水下机器人的制作方法
本实用新型属于船舶清洗技术领域，尤其是涉及一种用于船舶清理的水下机器人。
背景技术：
船舶在整个的营运周期内，都会有海洋生物附着在船壁、船底、甚至螺旋桨上，尤其是船只停靠在港口、码头或锚地时，各种海生物(包括动物、植物和微生物等)就会快速附着，并在船底表面生长，在船舶吃水线以下的壳体上会形成一层厚厚的海生物垢层，这些海生物垢层主要由藻类、贝类附着物构成。
随着时间的延长，这些海洋生物的附着量将会增加，对于船舶的航行状态、甚至运营安全均会带来诸多不利影响，海洋生物附着于船体增加了船舶的重量，影响了船底外壳的光滑，使得航行阻力相比于光滑船体大幅增加，海洋生物附着在螺旋桨上能使得螺旋桨输出功率降低，降低船舶的航行速度，提高了船舶航行的油耗，这些影响都讲直接大幅提升船舶的运营成本。研究表明，部分海生物附着1～2月后个体死亡，在其死壳的船壁可出现2～5毫米深的腐蚀坑，这将直接影响船舶的自身安全。
目前船舶清洗方式目前主要通过人工方式进行，工人使用清除工具在船坞进行附着海生物清理工作，再涂保护层、油漆等；或者由潜水员携带工具、设备在水下进行附着海生物的清除工作。随着技术的进步，国外大型船坞、码头逐渐配备了一些自动化程度较高的清洗装备，但仍然需要人员参与其中大量、繁重的配合工作。
随着人们对海洋开发和利用的逐渐深入，水下机器人相关技术领域得到了迅速的发展，众多前沿技术学科与水下机器人技术相互融合，包括系统集成、自动控制、模式识别、信息融合、人工智能等，使得水下机器人具备了完成复杂海洋环境中预定任务的能力，在此基础上船舶自动清洗成为水下机器人的一个重要应用领域。
现有市场上已经出现了用于清理船舶表面海洋生物的机器人，但是由于船舶表面不是平整的理想平面，其除了船舶的边缘除外，大型单体的船舶通常具有渐变的凸弧面，而双体船、三体船的船壁表面则更为复杂；船舶外形未知或者不准确时，很难知道清洗的线路，船舶维修后，外壁修补处或焊缝较高的位置，水下机器人难以通过，船壁焊接的扶梯或其他设备使得水下机器人难以自动通过；因为船舶表面不平整，因此在机械人进行清理的时候，运动不平整，无法对船舶的表面进行彻底的清理。
技术实现要素：
本实用新型为了克服现有技术的不足，提供一种清理效果好的用于船舶清理的水下机器人。
为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种用于船舶清理的水下机器人，包括机架、设于所述机架上的壳体、设于所述机架上的清洗单元及设于所述机架上的驱动单元；所述壳体上还设有用于将船舶划分为多个清洗区域的指示定位单元，所述指示定位单元包括设有至少两个起点定位器的起始装置、设有至少两个终点定位器的终结装置、用于放置所述起点定位器的第一机械臂及用于放置所述终点定位器的第二机械臂；当清理船舶时，先将船舶表面划分出多个清洗区域，所述第二机械臂安放所述终点定位器于所述清洗区域的右下角；然后第一机械臂安放起点定位器于所述清洗区域的左上角，机器人由起点开始按照“己”字形清理至终点停止。
本实用新型通过放置起点定位器和终点定位器来将船舶的表面区分为单独的清理区域，因此可通过区分出表面较为平整的区域来进行清理，此时可将船舶表面的焊缝和梯子等障碍物给避开，机器人在清理的时候，行进过程受到的阻碍小，运动平稳，清理的效果好并且提高了机器人清理的效率；而且本实用新型采用至少两个起点定位器和至少两个终点定位器，其在机器人工作的时候，若是遇见其中的一个起点定位器或是终点定位器出现损坏或者是在水中遗失时，另一个可进行替换，从而避免水下机器人在到达工作区域之后又重新浮出水面，该方式保障了机器人在清理时，能够保障机器人工作的效率，保障机器人每次下水均能正常的进行清理。
优选的，所述起始装置包括用于放置所述起点定位器的存储盒和用于支撑所述起点定位器的释放部件，所述释放部件设于所述存储盒下方；通过采用存储盒对起点定位器进行存放，其可便于在每次机器人工作时，起点定位器可集中放置在存储盒当中，然后随着存储盒一起放置到壳体当中，该方式放置起点定位器方便；而且还可便于在机器人不工作的时候，检修后的起点定位器可集中存放在存储盒当中；而且通过释放部件可便于在存储盒内具有两个及两个以上的起点定位器的时候，避免两个起点定位器一同从存储盒当中出来，保障只能有一个起点定位器由存储盒取出。
优选的，所述壳体上设有用于供所述存储盒插入的存放腔，在所述存放腔内设有用于驱动所述释放部件工作的驱动结构；通过在壳体上设置存放腔可便于存储盒直接插入到存放腔内，其存放稳定且方便。
优选的，所述释放部件包括可左右动作的第一支撑件和可左右动作的第二支撑件，所述第一、第二支撑件为对称设置。
优选的，所述第一机械臂包括第一臂体、与所述第一臂体活动连接的第二臂体及设于所述第一臂体端部处的第一爪体，所述起点定位器可由所述存储盒进入至所述第一爪体上；通过第一爪体可对起点定位器进行爪取和放置，其操作方便；而且起点定位器放置到第一爪体上，其可快速且方便的放置到起点位置上。
优选的，所述第一臂体上设有用于临时放置所述起点定位器的安放结构和用于将所述起点定位器由所述第一爪体运输至所述安放结构上的输送结构；通过在第一臂体上设置安放结构，因此在第一爪体上的起点定位器发生损坏的时候，输送结构可将起点定位器拿离第一爪体，进而其他的起点定位器可进入到第一爪体上，保持在定位起点的时候，能够顺畅且快速。
优选的，所述安放结构包括用于放置所述起点定位器的存放槽和用于锁住所述起点定位器的锁定部件；通过设置存放槽可便于将起点定位器进行定位存储，而锁定部件则锁定起点定位器以避免起点定位器从第一臂体上脱落。
优选的，所述输送结构包括用于抓取所述起点定位器的抓取件和用于带动所述抓取件来回动作的驱动气缸；通过设置抓取件可便于将起点定位器进行移动，其操作迅速且方便。
优选的，所述驱动结构包括用于驱动所述第一支撑件动作的第一驱动件和用于驱动所述第二支撑件动作的第二驱动件，所述第一驱动件与所述第一支撑件为插接连接，所述第二驱动件与所述第二支撑件为插接连接；通过设置第一支撑件与第一驱动件之间采用插接的方式，在存储盒插入存放腔当中的时候，其即可实现第一驱动件和第一支撑件实现连接，其可操作方便且快速。
优选的，所述第一支撑件上设有第一凸部，所述第一驱动件端部上设有供所述第一凸部插入的第一凹槽；当所述第一凸部插入至所述第一凹槽内之后，两第一压紧片紧压于所述第一凸部侧壁上；通过设置第一凸部插入到第一凹槽内，其连接稳定，进而第一驱动件带动第一支撑件动作的稳定性高。
综上所述，本实用新型通过将船舶的表面区分为单独的清理区域，因此机器人在清理的时候，行进过程受到的阻碍小，运动平稳，其清理的效果好，提高了机器人清理的效率。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图一。
图2为本实用新型的结构示意图二。
图3为本实用新型的结构示意图三。
图4为本实用新型第一机械臂的结构示意图。
图5为本实用新型第一机械臂的局部结构示意图。
图6为本实用新型抓取件的结构示意图。
图7为本实用新型起点定位器的结构示意图。
图8为本实用新型的局部结构示意图。
图9为本实用新型的局部剖视图。
图10为本实用新型的局部爆炸图。
图11为本实用新型机器人清洗时的运动路线示意图。
图12为本实用新型机器人航行偏离航向时，重新定位航向的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1-12所示，一种用于船舶清理的水下机器人，包括机架1、壳体10、清洗单元2及驱动单元3；其中所述机架1为金属架，所述壳体10置于该机架1上，其中所述壳体10为金属壳或者高强度的塑料壳，所述清洗单元2、驱动单元3均设在壳体10内，所述清洗单元2为现有的空化水射流清洗技术，其为现有技术，因此在此不再赘述；所述驱动单元3主要用于实现水下机器人的运动控制，包括升沉、进退、旋转等方向的单独运动以及多个自由度的联动；该驱动单元3主要包括六个推进器31，该推进器31由电机和螺旋桨组成，其为现有技术；其中四个推进器31位于所述壳体10上部，并且该四个推进器31用于控制机器人在水下进行升沉，另外两个推进器31位于壳体10的尾部，这两个推进器31用于控制机器人在水下前进。
为了在清洗的时候，机器人避开船舶表面的障碍物，将船舶的表面划分为多个清理区域，然后逐步对每个清理区域进行清理；在所述壳体10上还设有用于区分出上述清理区域的指示定位单元，该指示定位单元包括具有起点定位器6的起始装置51、具有终点定位器的终结装置52、第一机械臂53及第二机械臂54，其中所述起点定位器6和终点定位器为完全一样的结构，因此在此仅对起点定位器6进行详细解释；所述起点定位器6有外壳61、传感器及磁性件63组成，所述外壳61为防水的塑料壳，该外壳61的外壁向内凹陷形成有凹环611；所述传感器为市场上可直接购买得到常规信号传感器，该传感器设在所述外壳61内部；所述磁性件63为粘接在所述外壳61底部的磁铁，在放置起点定位器6的时候，起点定位器6可直接吸附到船舶的侧壁上；在对船舶侧壁进行分区域的时候，机器人先运动到清洗区域的右下角处，然后第二机械臂54将终点定位器7放置到右下角处；然后机器人再直接运动到清洗区域的左上角，第一机械臂51将起点定位器6放置到左上角处，然后机器人由起点开始清理该区域内的船舶侧壁，清理的过程中机器人以“己”字形的路径进行清理至终点定位器7处停止。
进一步的，所述起始装置51包括了存储盒511和释放部件512，在所述壳体10上设有存放腔100，所述存储盒511可插入到所述存放腔100当中；在所述存放腔100的内壁上设有止转凹槽101，在所述存储盒511的侧壁上设有可插入到所述止转凹槽101当中的止转凸部501，在存储盒511插入到存放腔100当中的时候，其止转凸部501插入到止转凹槽101当中；其中所述存储盒511为高强度的塑料盒，该存储盒511具有上盒体部519和与上盒体部519一体成型的下盒体部518，所述的上盒体部519和下盒体部518均为圆柱形，并且所述上盒体部519的直径大于所述下盒体部518直径，因此所述上盒体部519和下盒体部518之间的连接处具有一阶梯部517；在所述上盒体部519的内壁围设有一圈气囊515，该气囊515为橡胶囊，并且气囊515当中充有气体；所述起点定位器6放置在所述上盒体部519当中；通过气囊的设置，其起点定位器6在上盒体内可更好的被保护，避免起点定位器6因为晃动而发生碰撞受损；同时若是存储盒511从壳体10上脱开的时候，由于气囊515的浮力，其会带动所述存储盒511和起点定位器6向上浮起，避免存储盒511丢失；在所述上盒体部519上部设有一塑料制成的盖体，该盖体为塑料盖，其与上盒体部519的内壁螺接，所述盖体具有多个通孔，该通孔保持起点定位器6可顺利从存储盒当中出去。
所述释放部件512设于所述下盒体部519的上部，该释放部件512包括可左右动作的第一支撑件551和可左右动作的第二支撑件552，所述第一、第二支撑件为对称设置，并且所述第一支撑件551和第二支撑件552均为c形的金属爪，在所述下盒体部519上设有开口，所述开口供所述第一、第二支撑件进行活动；所述第一支撑件551上设有第一凸部555，所述第二支撑件552上设有第二凸部556；所述第一凸部555为凸条，所述第二凸部556同样为凸条；在所述存放腔100内设置有驱动结构，所述驱动结构包括第一驱动件559和第二驱动件558，所述第一驱动件559为气缸，所述第二驱动件558同样为气缸，所述第一驱动件559的端部设置有第一凹槽571，所述第二驱动件558的端部上设置有第二凹槽570，当所述存储盒511插入到存放腔100当中之后，所述第一凸部555插入到第一凹槽571当中，所述第二凸部556插入到第二凹槽570当中。
同时所述终点定位器的结构与所述起点定位器的结构完全相同，并且终结装置的结构与所述起始装置的结构也完全相同，因此在此不再赘述。
具体的，所述的第一机械臂53包括第一臂体531、第二臂体532及设于所述第一臂体531端部处的第一爪体533，其中与所述第一臂体531与所述第二臂体活动连接；所述第一臂体531与第二臂体532之间还连接有推动气缸，从而实现第一臂体531和第二臂体532可弯折；所述第一爪体533与所述第二臂体532的端部活动连接，该第一爪体533为多个c形的金属爪；所述第一爪体533位于所述第一臂体531的端部上，并且在所述第一臂体531上设有抓物气缸539，所述抓物气缸539的端部连接有第二爪体538，所述第二爪体538与所述第一爪体539相对称，因此在抓取起点定位器6的时候，抓物气缸539驱动第二爪体538动作，从而抓住起点定位器6。
在所述第一臂体531上设置有安放结构，该安放结构用于供所述第一爪体531上的起点定位器6进行临时放置；所述定位结构包括形成于所述第一臂体531上的存放槽561、设于所述存放槽561上部的关闭部件562，所述存放槽561为一常规的金属槽，并且该存放槽561的底部具有排水开孔560，所述起点定位器6可放于所述存放槽561内；所述关闭部件52为可旋转打开的门，该关闭部件52包括启闭门569和扭簧568，所述启闭门569通过轴与第一臂体531活动连接，而扭簧568套在轴上，该扭簧568推动启闭门569向上弹；所述启闭门569上设有限位凸部567，所述限位凸部567为凸条，该限位凸部567与所述第一臂体531上端面相抵，因此所述限位凸部567只能向下翻动；在所述起点定位器6放到所述关闭部件上的时候，下压所述关闭部件，所述关闭部件在压力的作用下即可打开。
所述第一臂体531上还设有用于将第一爪体531上的起点定位器6输送到存放槽561当中的输送结构；所述输送结构包括用于抓取所述起点定位器6的抓取件581、用于带动所述抓取件581来回动作的驱动气缸582、用于推动驱动气缸582转动的转向气缸583及升降气缸584；其中所述抓取件581为c形金属爪，该抓取件581的两端设有弹性的压紧件588，所述压紧件588为弧形的金属弹片，该压紧件588的端部与所述抓取件581活动连接；并且抓取件581上设有弧形的凹轨585，在所述压紧件588的端部具有位于凹轨585内的防脱部584，所述防脱部584位于所述凹轨内，并且该防脱部584与所述凹轨585内壁相接触；同时在所述起点定位器6的侧边上设有定位部69，所述定位部69为凹槽，所述压紧件588夹在所述定位吧69上。
进一步的，该所述驱动气缸582为常规气缸，通过驱动气缸582带动所述抓取件581来回动作，所述升降气缸584为常规气缸，升降气缸584设在所述第一臂体531上，该升降气缸584上端设有凸板591，所述凸板591上设有轴承，所述驱动气缸582设在轴承上，所述转向气缸583设在所述凸板591上，并且该气缸583推动轴承转动；在抓取件581抓取起点定位器6之后，驱动气缸带动起点定位器6动作，然后转向气缸583带动起点定位器6转向到放置槽上方，然后升降气缸带动所述起点定位器向下动作到放置槽561当中。
具体的，所述第二机械臂54与所述第一机械臂为53为对称设置，其结构与所述第一机械臂53完全相同。
同时在对起点定位器未粘接到船舶侧壁上而落下的时，该机器人会向下潜入，然后将起点定位器重新拾起。
因此，本申请将船舶划分为若干个清洗的区域，在每个区域内，水下机器人的清洗作业按照设定的程序航行于清洗，在清洗区域的边缘，进行换向，具体的的工作步骤如下：
1)开始作业时，由水下机器人慢速绕清洗船舶运动一周，摄像机与光雷达对船壁进行拍摄和扫描，生成船壁的三维模型。三维模型可以显示出船舶的尺寸信息，船壁的变化趋势、折角信息等；
2)在三维模型中，船壁上的凸起的高度如果超过水下机器人的通过高度h，那么水下机器人将无法沿船壁爬行通过。船舶建造的特点，焊缝通常是垂直于夹板方向的。本申请中，一旦发现此类凸起，将其沿纵向延伸至船底，定义此类凸起为边界凸起；
3)船舶的横剖面及纵向都是渐变的曲面，水下机器人行走在曲面交界处时，会存在不能够通过的情况，水下机器人的通过角度
4)通过船首位、水线、底部、以及测定的边界凸起和边界折线，可以将船壁表面划分为n个近似矩形区域，机器在任意一个区域内，通过任务规划路线可以实现连续行走遍历整个区域；
5)对于每一个独立清洗区域，定义左上清洗点为作业起始点s，右下清洗点为作业结束点t。水下机器人首先行驶到清理区域的作业结束点t，通过第二机械臂放置一个终点定位器，终点定位器器通过永磁铁磁力吸附在船壁上，再行驶到清理区域区域作业开始点s，通过第二机械臂放置一个起点定位器，通过连个定位指示器，水下机器人在清理区域区域内任意位置进行作业时，它的相对起始点的位置都是唯一的。定位指示器用于测量与水下机器人之间的相对距离，作业起始点到水下机器人的距离定义为r1，作业结束点到水下机器人的距离定义为r2；
6)水下机器人的清洗作业的有效宽度为d，水下机器作业的航迹线之间的宽度w＝0.5*d，水下机器人作业过程中的允许偏离误差σ＝0.25*d，这样既可以保证水下清洗作业的效率，也可以足够的覆盖范围；
7)定义机器人前进速度为v，作业起始点时间t＝0，水下机器折返次数n＝0，当水下机器人沿s→o1方向前进时，水下机器人相对于s点水平坐标为x＝v*t,垂直坐标为y＝n*w＝0。当水下机器人前进到边界点o1后，水下机器人转向，令t＝0，n＝n+1，水下机器沿o1→o2方向前进，s点o1的水平距离为son，这时水下机器人相对于s点水平坐标为x＝son-v*t,垂直坐标为y＝n*w，这里n代表折返次数。此时水下机器的理论的坐标点可以用(x，y)计算得出；
8)水下机器人在运行过程中，会出现偏离航线的情况，由终点定位器和起点定位器，可以计算出水下机器人相对于s点的实际坐标(x1，y1)，如果距离偏差，表明现在水下机器人偏离设定航线，运行时间t计时停止，并保存当前时间数值；
水下机器人在运行过程中，会出现偏离航线的情况，由终点定位器测定相对距离r1，水下机器人的理论坐标(x，y)，如果距离偏差，表明现在水下机器人偏离设定航线，运行时间t计时停止，并保存当前时间数值；
在平面上，分别以s、t为圆心，以r1、r2为半径做圆，会有2个交点p1和p2，他们的坐标(x1，y1)，(x2，y2)可以通过计算得到，如果当前位置水下机器人的水深，其中α为水下机器人船壁与铅垂线的夹角，则p2为水下机器人实际位置，水下机器人沿p2→p方向行驶到p点，否则水下机器人沿p1→p方向行驶到p点；
9)将水下机器人航向重新调整到设定航向，运行时间t继续计时，水下机器人按设定方向继续前进；
10)水下机器人运行到o2点后，重复步骤7)—步骤9)，直到水下机器运行到作业结束点t；
11)水下机器人使用第二机械臂抓取并握紧终点定位器，向将机械手装置上的电磁线圈通过电流，使得第二机械臂线圈产生的磁力抵消终点定位器的吸附磁力，将终点定位器收回；
12)水下机器人航行到作业起始点s处，使用第二机械臂抓取并握紧起点定位器，向将第二机械臂装置上的电磁线圈通过电流，使得机械手线圈产生的磁力抵消起点定位器的吸附磁力，将起点定位器收回；
13)水下机器人完成清理区域区域的清洗工作，脱离船壁，在水中航行到2#区域，重复步骤1)—步骤12)，直到完成所有区域的清洗工作。
显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
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