履带式磁吸水下清刷机器人系统

力作用可以让水下清刷机器人克服传统水下清刷机器人运行速度慢、适应能力差等动力缺点，配合可以固定旋转的不锈钢小钢刷便可以有 力地去除船底污垢，再利用全方位摄像头检査清刷效果，达到全面清刷。该新型水下机器人将广泛地应用于船舶清刷行业中。 关键词：水下机器人；船底附着物；履带式；永磁体；磁吸力；钢刷清理中图分类号：TP242

文献标志码：A文章编号：1009 - 9492 （ 2019） 12 - 0009 - 05 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Crawler Type Magnetic Water Absorption Cleaning Robot SystemHU Xiangsheng, ZHANG Wenjing, LI Ziyan, DENG Zhigang^, YUAN Fang(Underwater Robotics and Intelligent Systems Laboratory, Shanghai 200135, China)Abstract: Since the current ship will have a large degree of underwater attachment accumulation caused by the increase in ship weight, fuel

consumption and other problems, so the design through the ROV underwater robot research and the robot's more important wall climbing robot

principle of learning, through the combination of crawler and permanent magnet, strengthening the adsorption of the hull by the robot during the brushing process. At the same time, this kind of joint effect can make the underwater brush robot overcome the traditional underwater brush robot running speed, poor adaptability and other power shortcomings, with the can be fixed rotation of stainless steel small steel brush can be made to

effectively remove the bottom of the ship dirt. Then use a full range of cameras to check the brush effect, to achieve a comprehensive brush.Finally, the new underwater robot will be widely used in the ship cleaning industry.Key words: underwater vehicle; bottom attachment; crawler type; permanent magnet; magnetic attraction; steel brush cleaning0引言海水具有强腐蚀性，海水中浮游生物较多使得船体表

开展水下船体表面清刷作业机器人的技术研究，对促进该

领域的技术进步具有重要意义，对海洋工程结构的维修及 军事方面应用亦有广阔前景。面附着难以清除的贝类、海藻，导致船舶的船体底部等部

位产生较多的锈皮和锈斑等。为了延长船舶的使用寿命,

1水下清刷机器人总框架设计该产品主要以控制器为核心，进行驱动系统和清刷系 统的操控，使其移动并进行常规工作。同时以摄像与照明

保证船舶的经济及安全运行，船舶必须定期进坞进行检

修。这就在很大程度上增加了造船的成本费用，以及产生 许多额外的工作量。像一些海洋钻井平台支架、海洋浮

设备为辅助，与水下进行实时通讯了解概况。系统总框架

如图1所示。1.1水下清刷机器人组成部分标、海上工作站等水下部分也有大量的贝类、海藻和锈斑

等强附着物，对这些建筑造成腐蚀破坏，影响正常的工作

寿命。目前市场上船体表面清刷主要分为坞内清刷和水下清

水下清刷机器人由控制系统、观测系统、运动系统、 清刷系统三大系统组成。控制系统是处理和分析内部和外

部各种信息的综合系统，根据这些信息形成对载体的控制

刷2类。坞内清刷易增加船舶的停航损失，造成环境污染,

而人工水下清刷就是潜水员下水进行清洗，效率低且费 功能叫观测系统是利用摄像头、照明灯及多种传感器收

集有关外界和系统工作的所有信息的装置。运动系统是利 用履带和永磁体的结合使用，加强机器人在清刷过程中对

力，花费成本极高，又具有较高风险。利用水下机器人进 行船底探伤、常规性检测以及清洗成为现在人们的首选。现在国内外水下清理作业已有的清理方式包括： （1）手持单刷机具；（2）行走多刷式水下清刷装置；（3）

船体的吸附，同时保持通畅前行运动的系统。清刷系统则

是小钢刷加上自动旋转装置的结合系统，使得水下清刷机

器人沿着运动的路径对整个船底进行清污。水下清刷机器

喷射式清刷装置；（4）遥控型水下清洗器。这些设备有很

大的局限性，而且主要方式还是潜水员手工操作。因此， 人侧面模式图如图2所示。基金项目：国家自然科学基金项目（编号：51409156）收稿日期：2019 - 05- 15• 9 •2019年12月机电工程技术第48卷第12期来进行运动，为了使整个水下机器人可以更好地贴合在整 个船体上，同时保证经济性，需要控制整体排水量以减少

跌落风险，而排水量就要保持重量和浮力的平衡，因此需

考虑重量和浮力因素叫表1 不同水下机器人材质的比较原材料木材实用性成本强度次优切割次优良稳定性次优次优震动好优优优好良胶合板钢铝优优好好好良次良优优差差好良差优好良好优优次良纸板图1机器人各系统总框架优好优好好次良良良泡沫板有机玻璃胶合苯乙烯好好好差差良次良极优好2各操作组成系统分析2.1控制系统控制系统的功能主要通过传感器，感知、分析、判

断、处理信息并借输出发出命令，使各部分的工作服从于 总控制系统，受其监管掌控。水下清刷机器人的控制系统

图2水下清刷机器人侧面模式图1.2水下清刷机器人外形设计及材料采用3.0及以上的计算机来控制，使整体系统运行较流畅

并保护其安全叫控制系统主要组件功能介绍如表2所示。此外，机位有上下之分，分別掌管机器人不同的工

水下机器人根据使命任务和技术要求的不同，其外型

尺寸、结构型式都有很大的差异。由于此水下清刷机器人 作，下位机处于本体并通过收到上位机的指令，控制吸附

设施加以移动，并控制清刷作业装置的工作等。的功能设计是为了清理船底的附着物，所以前进速度不

高，阻力性能对其外形要求不高，因而除采用水滴形和常

规型艇型之外，出于使用维修方便、布置合理等方面考

除了这些控制系统的设备，整个控制系统也适用

MavLink通信协议。MavLink通信协议是一个为微型飞行

虑，其外型可能显得不规则，因此所要做的水下清刷机器

人则是其中最典型的框架式结构。器设计的非常轻巧的、只由头文件构成的信息编组库叫

在水下机器人的设计中，它可以通过串口极高效地封装C

由于水下清刷机器人主要受到静水压力的作用，因此 结构数据，并将数据包完整发送至地面控制站叫作为

MCU/IMU间以及Linux进程和地面站链路通信间的主干通

选择机器人耐压壳要综合考虑下潜的深度、耐压壳的形

状、材料特性等因素叫现在市面上常用的水下机器人外

信协议，该协议的简单可操作性不言而喻。此外，通过读

壳材料有高强度刚、铝合金、钛合金、复合材料（包括玻

璃、陶瓷、丙烯酸朔料等等）。水下清刷机器人基本只在 船底活动并不下潜很深，所以要考虑的是船的入水深度，

取MAV的路径点列表，能够及时找到正在发送请求的部 件并要求路径点从序列号0开始发送WAYPOINT_RE- QUEST消息，而目标部件会以包含有路径点数据对应的 WAYPOINT消息来回应每一个请求何。当水下机器人完成

同时由于海水腐蚀性强，耐压壳还要有一定的抗腐蚀能 力，才能在多次运作的过程中保持机器人自身的可持续使

清刷作业，即最后一个路径节点成功地接收到消息之后，

用。通过一些性能比较，也综合上述的一些需求，选用的

是7A04铝合金材料，该材料耐腐蚀性及焊接性较好，适

发送请求的部件会向目的地部件发送一个WAY-

PO1NT_ACK消息，表明任务结束。合工作水深的耐压要求。7A04具体参数如下：7A04性 此外，该协议的优点在于面对图像流与视频流的过程

能参数，材料名称7A04,标准GB/T437.1-2000,强度极 中.对原始流并未进行代码转换，使其性能受到影响的可 能性尽量减少。2.2观测系统限6 >530 MPa,屈服极限6 >400 MPa,安全系数1.2,

伸长率>5%,比重为2.850 t/m',材料密度为2.82g/mm’。

不同水下机器人材质的比较如表1所示叫1.3水下清刷机器人使用设备及初步估算排水量水下清刷机器人的观测系统主要是一个利用摄像头、

照明灯及多种传感器收集有关外界和系统工作的所有信息 的装置。为了测试观测系统能否正常地为船底进行探测清理， 首先进行水下环境的测试。在水域较为浑浊或可见光较差

水下清刷机器人使用设备基本根据所需要的常用系

统w进行搭配，有些设备也是水下机器人通用设备，在此

就不赘述。在选用设备时会进一步分析各种性能参数，确 定合适的设备。由于水下清刷机器人是通过履带式磁吸附

的环境实现勘察，通过防水灯实现对前方环境的照明，通• 10 •胡相胜，等：履带式磁吸水下清刷机器人系统表2 控制系统主要组件功能介绍控制系统组件功能及作用需要遥控器和带有主控制器的电脑。不使用

QGC地面站QGC(QGroundControl)地面站软件和控制髓的连接：一般情况下使用电力载波进行通讯，如果载波通信可以网线直连。电力载波模块支持300 m线缆长度的通信距离，可以无电通讯。以防万一，水下机器人也加上了脐带缆。通讯浮漂脐带缆RC(Remote Control)和WiFi信号在水中传播不稳定，需要线缆辅助通讯，脐带缆通常使用零浮力线和电力载波通讯。通过设计通讯浮

漂能够有效地节约脐带缆实现远距离操控。ArduSub水下机器人控制器的核心程序，负责整体的运动控制。ArduSub控制器QGC地面站软件。协处理控制器负责处理视频和通信部分。在基础的IMU和指南针的基础上.Ardusub支持MS5837深度传感器，用于\"定深模式Depth Hold mode”和深度信息获取。通过获取水下机器人的深度、空间姿态角、GPS坐标等水下运动的空间姿态使其运动较为平稳。通过采用

传感器和扩展设备定深传感器MS5803H力传感下深度压力测量更为精确。得经纬坐标，从而对机器人坐标

GPS传感器基于ATDM332D-5N模块，以中国的北斗卫星导航系统和美国GPS为基础，获进行设置，使其绕过障碍，完成作业后自动返航。SOS漏水检测Ardusub可以读取漏水传感器信息，漏水时进入自我保护模式。常河道底部较为浑浊，同时光线较暗，所以为了测试照明 支持力；E为样机所受摩擦力；Fm为上第一块电磁铁的吸 灯的可视距离以及照明强度，在夜晚到河里测试防水灯的 附力在平行履带方向上的分力；为上第一块电磁铁的吸

性能以及对河底的环境检测效果叫附力在垂直履带方向上的分力；，Fm为下第一块电磁铁的

防水灯参数如下：功率：20 W (Max); PWM范围：

吸附力在平行履带方向上的分力；Fm为下第一块电磁铁的

1 100 ~ 1 900 jjl;电压(直流):12 ~ 28 V ； LED 灯芯寿

吸附力在垂直履带方向上的分力。命：5 000 h；耐压水深：300 m ；接线：红-V+8-35 V；

亮度：2 200lumens;黑-GND;黄-PWM。其次，水下清刷机器人配备的摄像头是专门为树莓派

定制的带高质量800万像素索尼IMX219传感器扩展板，

拥有定焦镜头。它可以达到3280*2464像素静态图片，也

支持 1080p30, 720p60 以及 640*480p60/90 摄像功能。通过水下照相机与摄像机还有灯光的相互配合，将船 舶清理的作业过程实时反馈给岸上人员，使清理过以及未

清理过的区域都可以进行分辨，最终达到清理全船底部， 也避免因未清理干净而造成船舶运营时的附加成本。设履带单元与壁面接触面积为久且共有\"块电磁铁

2.3运动系统水下清刷机器人在前进运动的方式是通过履带式前

吸附于壁面。\\F 进，同时依靠永磁体的吸附作用冋，使得水下清刷机器人

=独-\"伞。可以在船的表面进行比较稳定地前进与移动，下面介绍整

F = nF”个履带式的运动系统中各个组成以及受力上的分析。 式中：B为气隙密度，Wb/m2;从为真空绝对磁导率，“,=

2.3.1履带式磁吸运动4irxlO 7H/m; F为总吸引力，No在水平于接触面方向上有：

履带机构它的组成部分如下：压力开关、电磁铁、履

+ FS1 sin 0 + Fni cos 3 = G sin 8 + FS2 sin 0 + Fn2 cos 0带板、滚珠、正极触电头和负极触电头。将电磁铁装入履

在垂直于接触面方向上有：带的内部，目的是通电后用以提供驱动力和吸附力，再将 F、+ sin 0 + Fm sin 0 = F + FS1 sin 0 + FS2 sin 0 + G sin 8履带的上端装入压力开关，主要是为了控制电磁铁的通断

F, =“F、电何，而滚珠安装于压力开关顶部，其作用是减小因工作 式中：“为电磁铁与接触面的摩擦因数。时压力开关所受摩擦力而导致通断电岀现状况的可能性发 经分析可知，如若满足上述条件，则履带会在F和

生。最后将正负极触电头装进履带的内部。尺的作用下转动，同时上方会有一个电磁铁进入驱动板底

履带的运动分析分为静态和动态，把静力学稳定性的

下而带电，下方会有一个电磁铁离开供压板而断电，依此

问题转化为稳定平面的失稳问题，通过考虑磁吸附下水下

循环，通过履带的转动带动样机前行。履带式磁动力机器

机器人翻转和下滚的受力情况。样机在接触面静态吸附时 人吸附于接触面，爬行时可通过改变电流的大小来改变电 的受力分析图吟\"如图3所示。图中，G为机器人本体和负

磁力的大小，从而改变爬行速度，因而可根据两侧履带的

载重量；F”为电磁铁单元的吸附力；八为接触面对样机的

速度差进行转弯。• 11 •2019年12月机电工程技术第48卷第12期永磁体的长度宽度对吸附力均有一定程度的影响，均 永磁材料的选择阴：机器人最大载重40 kg,每一个磁

装置的磁吸力是20 kg,履带上大约需要28块磁吸附单

呈同向变动趋势哂。所以在选择使用什么样的永磁体来配

合履带进行使用上作了比较分析，表3所示是几种常见永

元，每块永磁铁应保证选用的永磁材料单位体积储磁能量

大且性能稳定。为了满足这一要求，永磁铁选用枚铁硼 N48H材料，它具有较高的矫顽力和磁能积，并且耐高

磁体种类以及性能。表3 各类永磁体综合性能比较温。钱铁硼的最大磁能积、剩磁和内禀矫顽力参数的值越

永磁体种类最大磁能积(BH) 唤/MGOe1.2 ~ 1.3居里 最高使抗氧化 机械温度 用温度和腐蚀 加工大，磁性就越妃叫以下是部分不同牌号的汝铁硼的参数。价格表4 不同牌号的汝铁硼比较TJX.890代600300250550性能性能AlNiCo好好好好较好般中等贵剩磁感应强度牌号Br/mT(KG)矫顽力A7ci/(kA • m\"1)内禀矫顽力最大磁能积 最高工作温度TJ°C永磁铁氧体SmCosSm2Coi70.8 ~ 5.2450740•to 便宜一的Hci/(kA・m\")(叽/(kj・nf‘)15-24(kOe)(kOe)(MGOe)22-3230-52926310350一般一般好好贵N401 250-1280(12.5-12.8)M923(Ml 1.6)2955012)318~342(38-41)80烧结NdFeB粘结NdFeB橡胶磁230差好中等中等便宜N45N423~130.6 ~ 1.51601001 280 ~ 1320(12.8-13.2)M923(Ml 1.6)28762955318~342(38-41)——好㈢2)N 955012)N876801 320-1 380(13.2 ~ 13.8)342~ 366(43-46)通过表3可以看出汝铁硼(NdFeB)的性能较好，针对

在履带上所要添加的那种汝铁硼在磁力处也进行了比较。(Ml 1.0)80此外，通过电动机和磁力系统共建成的履带，即将磁

N481 380 ~ 1420(13.8 ~ 14.2)M835(M10.5)366~390(46-49)(Mil)80铁附着在履带上，设计为长方体型，使其形似电磁铁的铁

芯，增强吸附力，使之作业过程中不易掉落。同时能及时 调整履带的转速来改变转向，使履带灵活性的优点发挥。2.4清刷系统水下清刷机器人必须实现制造出来的目的，因此清刷

系统必不可少，而清刷系统中比较重要的模块是在清刷

±o目前市面上用于船底附着物清理的清刷工具有软、

中、硬3种认证尼龙毛刷，这种刷子不会破坏涂在船体的 防污油漆，也无法清除附着在船身的生物，只能够去除生

长在船体的植物，除了这种尼龙毛刷之外还有比较多的毛

刷和钢刷，在选择使用什么种类的清刷工具上也进行了比

较，希望得到对船底最大程度上的清理。图4履带结构效果图2.3.2永磁体吸附力分析通过上述各种材质的刷毛比较，最终结合经济性和清 理的效果选择使用不锈钢丝制成。为了达到髙效率的清刷

效果，要求刷丝具有较硬、弹性好的性能。相较于尼龙毛

根据前面提到的履带式前进方式，其中的吸附力受以 下几个因素影响：吸附方式不同、永磁材料的选择、宽

刷，钢刷更加坚硬，同时考虑到船体附着物的情况，平时

度、长度、永磁吸附单元磁块与磁路设计的异同。因为船体表面本身即是导磁性材料，且由于航行过程 中会有大量海洋生物附着，其表面更加具有不规则性，故 为了能使吸附力尽可能大且稳固，结构简单且不会发生漏

的人工清刷已经利用高压水枪进行喷射清理，那么对于

船底附着物的清理并不是尼龙毛刷可以轻易清理的。相

对而言，不锈钢刷性能更好，清理附着物也会达到更好

的效果冋。除了刷毛是整个清刷系统最重要的一部分之外，从整气现象的磁吸附成为了履带式水下机器人的首选口。表5刷毛类别系数刷头类型及适用范围功能及效果间缩短30%,加工及装卸料时间减少60%阿。钢丝刷主轴最高转速达15 000r/min;主轴功率为9.5 kW;最高进给 具有超高速响应特征，同时采用刀柄空心化，并进行冷却加工，使得总切削时

速度达40m/min;换刀时间(刀-刀)为0.8 s。条刷清刷壁面单侧长度360 mm,宽度12 mm,优质PVC材料，积 考虑到积尘厚度可能大于1mm, PVC材料与铝合金之间摩擦因数为0.4,故条刷与 尘厚度1mm,受力灰尘的数量级109,正压力10N±o壁面之间的最大正压力为120N,在正压力为100~ 200N时清理灰尘效果校好。尼龙66：高耐磨、耐高温上下升降行程为50mm,上下摆动幅度为冈q性最强，韧性最弱，其熔体流动性好。一次性清洗零件50个，毛刷清洗系统

尼龙丝毛刷0 -50mm可调，上下摆动次数为5~30次Anin可调。传动电机功率为1 500W,转速为56 r/min。尼龙6：氧指数为24~28,分解温度〉299°C,韧性强，品壁 由于弹性高多应用于玻璃清洗行业，但强度不高且缠绕后只有两端固定，一段

厚度可小至1 mm。松掉容易发生事故㈤。• 12 •胡相胜，等：履带式磁吸水下清刷机器人系统个清刷系统来看，清刷作业的装置由刷具、动力执行元件

[5] 肖宏远.船体表面水下清刷机器人研究[D].哈尔

(电机)及支架组成；刷具由滚轴、联轴器和刷丝组成。 滨：哈尔滨工程大学，2017.[6] 姜大鹏.多水下机器人协调控制技术研究[D].哈尔

滚轴选用尼龙材质进行制作，由螺栓固定在两端联轴器

上，通过两端联轴器与驱动电机相连；联轴器选用不锈钢

材料。整个清刷装置将安装在水下机器人下部，和履带并 排放置，方便在前进的过程中边进行清刷，同时清刷装置

滨：哈尔滨工程大学，2011.[7] 王雷，杨庆喜，程勇，等.基于STM32的水下机器人

设计[J].自动化与仪表，2018, 33 (2)： 29-32.[8] 郝艳仲.水下机器人运动稳定性的研究[D].杭州：

和运动装置一起连接在水下清刷机器人的支架上，支架采

用铝合金制成，增加了整个装置的强度。清刷作业装置的 结构简图如图5所示。浙江大学，2006[9] 毛宇峰.水下机器人系统体系结构及避障控制技术研

究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.[10] 袁夫彩，陆念力，王立权.水下船体表面清刷机器人

密封的设计[J].润滑与密封，2007 (05)： 69-72.[11] 邓星星.水下机器人推进器动密封自修复技术[D].

太原：中北大学，2015.图5清刷系统作业装置结构图[12] 孙国兴，李春江，母政龙.ROV水下机器人在长河坝

水电站中的应用[J].水利水电施工，2017 (4):

3结束语该项技术现在存在诸多创新点和难点。(1) ROV的使用虽然没有像水下机器人那样可以自

85-87.[13] 徐芸，刘宝生，费燕琼，等.磁轮式超声串列自动扫

查爬壁机器人结构及位置调整[J].机器人，2005,

27 (4)： 346-349.主地探测所需要进行的工作，但使用ROV可以使水下机

器人的工作画面能通过有线缆在岸上直接被观察，及时了 解清刷工作的进展情况。(2) 通过通讯浮漂结合GPS系统，精确定位水下机器

[14] 胡绍杰，彭如恕，何凯，等.履带式爬壁机器人磁吸

附单元优化设计与实验研究[J].机械与电子， 2018, 36 (1)： 69-74.人的位置，为后续作业提供坐标信息。(3) 以履带作为移动方式，并采用适合曲面的复合分

[15] 张冲冲，闰德峰，刘超冉，等.履带式磁动力爬壁机

器人本体设计[J].机电信息，2016 (9)： 111-112.[16] 麺建多，褚振忠，朱大奇.基于VxWorks的微小型

AUV体系结构设计[J].上海海事大学学报， 2016, 37 (3)： 90-94.散式履带，以接触面积大、移动灵活、承载能力高为特

点，适合水下工作且易于携带，同时具有原地转弯的特

点。(4) 通过钢刷来代替尼龙毛刷，更加有效地达到清理

[17] 张俊强，张华，万伟民.履带式爬壁机器人磁吸附单

船底附着物的作用。元的磁场及运动分析[J].机器人，2006, 28 (2) : 219-223.难点在于清污程度的控制以及机器人移动的方位准确 性，这些都需要通过具体实验来进行不断检测。考虑到清

理效果，虽然配备了照明灯和高清的摄像仪，但仍然建议

[18] 金波，戴素江，盛继生.影响微型电磁铁吸力因素的

探讨[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程 版)，2002 (04)： 549-551.[19] 喻永康，奚敏贽.基于PLC的金属工件毛刷清洗机控

在天气较为清朗或者是春秋季节进行船底的清污工作，可 以保证清刷的效率和质量。总体而言，履带式磁吸水下清刷机器人迎合当下船舶

制系统设计[J].机械工程与自动化，2014 (05)： 155-156.[20] 苏冠明.矩形通风管道清洁机器人机构设计与作业性

底部的清理需求，是和以往水下机器人以及履带式机器人

等结合中所产生的新型想法，通过履带+永磁体+钢刷三者

优点的共同结合，最后可以在船体表面进行清刷作业，为 船舶节省油耗，同时延长船舶进坞修造的时间，在船舶的

能分析和仿真[D].南京：东南大学，2017.[21] 徐丽笑.除锈钢刷专用生产设备的设计及性能分析

[D].南昌：南昌航空大学，2011.节能环保方面有一定的作用。[22] Disponivelem. Underwater robot aids nuclear clean-up

of Dounreay waters [j] .Professional Engineering,

参考文献：[1] 闵海洋.水下机器人舱体壳结构[P] . CN： B63B3/13; B63C11/52, 2018-07-27.2007, 20 (19)： 5-9.[2] 权晨，于孝洋.浅谈机器人制作材料的选择[J].机 第一作者简介：胡相胜(1996-),男，贵州人，本科在

读。研究领域：水下机器人建模及控制算法方面的研究。械，2009, 36 (6)： 60-62.[3] 张盛博，刘娜，霍宏，等.基于层次形状特征提取模

型的图像分类[J].高技术通讯，2016 (01)： 81-8&[4] 王雷.水下机器人运动控制研究[D].合肥：中国科

※通讯作者简介：邓志刚(1971-),男，江西新干人， 博士，工程师。研究领域：水下机器人建模及控制算法方 面的研究。

学技术大学，201 &(编辑：阮毅)• 13 •