大型船舶船体清洗机器人

通过Roger Hess，销售和应用工程师，Maxon Precision Motors, Inc.， Fall River, Mass

佛罗里达的一家公司设计了一种机器人爬行器，可以在船的水下部分导航，清除积聚的生物膜层。作为一款由电池驱动的自动驾驶汽车，零部件选择是设计和制造过程中非常关键的一部分

在大型船舶的底部使用有毒涂料，以防止生物膜的生长，这种污垢会增加船舶的阻力，降低效率。虽然这种方法相当有效，但其缺点是，有毒涂料会不断地将铜和其他重金属吸附到水下环境中，损害生活在那里的生物。更复杂的是，油漆必须每5到10年更换一次，这时会产生大量有毒废物，必须妥善处理。

如果一艘船的水下表面是干净的，没有污垢，甚至是很薄的生物膜层，那么它的运行效率就会大大提高，仅燃料成本就能轻松节省5%以上。在不考虑污垢的情况下，船舶的水下涂层可以设计为防腐蚀和使用寿命，而不是消除潜在的生物污垢。如果当今世界上所有运行的船舶都能消除生物膜污染，那么所节省的能源将大大减少温室气体的存在。

为了消除对有毒涂料及其清洁废物的要求，需要有一种方法来“清理”船只水下部分的生物膜。这个想法是为正在建造的船只以及环境创造重要的变化。这就是Hull bug (Hull Bioinspired Underwater Grooming)概念的起源。

佛罗里达州棕榈滩花园的SeaRobotics公司成功推广了HullBUG概念。，attracted the attention of the U.S. Navy and specifically The Office of Naval Research (ONR). A successful proposal was submitted to the ONR for funding and a project team was established. The team currently uses SeaRobotics as a system designer and integrator and the Naval Surface Warfare Center Carderock Division (NSWCCD) as the team manager. The Florida Institute of Technology is also employed to provide a strong knowledge and research base for understanding how the biofilms affect ship efficiencies and what is necessary to combat them.

搜索机器人公司的研究工程师肯尼斯·霍拉帕博士说:“HullBUG最重要的特点是体积小。”“它只有半米长。”这是一个必要的设计特征，允许车辆在车体曲面上机动，同时继续保持与表面的密切接触。这种尺寸的另一个好处是，它允许一个操作人员部署车辆，而不需要使用起重机等额外设备。由于在水下和港口环境中操作这类设备会带来危险，因此有时HullBUG可能会在操作过程中丢失或被摧毁。保持系统的规模和成本较低无疑有助于消除损害，这是实施的主要障碍。因此，从项目一开始，小型和低成本就被认为是HullBUG项目令人满意的实施的关键。正如可以预期的，这需要保持一个特定的尺寸和重量过滤到设计的每个组件的选择。

运动控制组件
驱动HullBUG的电机的选择涉及到许多关键的工程约束和妥协。搜索机器人公司决定制作两个基本模型，一个有轮子，一个有轨道，并提供几个选项来监测系统的进展。

例如，电机尺寸需要对所制造设备的功率、速度和扭矩特性进行计算估计。决定因素包括:在船的表面上推动清理工具产生的阻力、船在水中移动时本身的水动力阻力、用于保护马达不受海水影响的轴封的摩擦损失，以及取决于所使用单元版本的履带或车轮摩擦。

“经过广泛的组件研究，我们选择使用Maxon马达和齿轮头，”Holappa说。“他们的电机不仅提供了一种非常具有成本效益的解决方案，而且它们效率很高，非常容易实现。”该公司使用带有行星齿轮头的EC平板电机。在HullBUG的履带式版本上使用了两个电机(每个轨道一个);而轮式版本则需要四个平面发动机(每个轮子一个)。修整工具中附加了一个EC平板电机。那台马达使用一个简单的正齿轮来减速。此外，最后一个直接连接的电机用于负压连接装置，将HullBUG固定在适当的位置。

为HullBUG选择的EC45 4极平面电机非常高效，重量只有2.2磅。连续输出功率为200 W，而最大转速为12,000 rpm(比这个应用程序所需的速度快得多)。这种应用的重要规格是扭矩。即使在HullBUG可能会遇到的恶劣环境下，EC45的最大连续扭矩也高达37盎司-英寸。(265毫米)，取决于选择的绕组。马克森无刷电机是建立IP54标准，这是关键的应用。此外，这些电机也可用于SeaRobotics要求的HullBUG应用的系统电压。Holappa表示，GP42齿轮头轴的大负载能力让车轮直接安装在齿轮头轴上，这大大降低了整体系统设计的复杂性。

因为HullBUG是完全自主的，所以它的设计必须让它能够在电池上运行好几个小时(电缆只会阻碍梳理操作)。为了最大限度地延长电池寿命，生物膜梳理必须以最有效的方式完成。在一个随机的模式中导航最终可能会完成工作，但不是在合理的时间内。此外，一艘典型的船在水下的水面非常大，通常高达3000平方米。为了保持这个区域的整洁，用户可以使用多辆HullBUG车辆使用复杂的协调导航同时操作。

在HullBUG
一套导航模式的工具已经被创建出来，让多个hullbug通过将船只的水下水面划分为区域来有效地训练船只。大量的算法已经被纳入，以精确的步骤来修整船舶，直至转向舭部。额外的算法和相关的传感器被用来控制船舶平底的有效梳理。

微型声波测距声纳(MARS)也是HullBUG导航控制的一种选择。在这里，专门开发了一种小型的近距离铅笔波束声呐，让车辆“看到”即将到来的墙壁或悬崖状况，如舱底龙骨和船首推进器。另一种导航方式使用MEMS速率传感器来获取导航信息。另一种反馈模式使用基于编码器的里程计。来自电机的霍尔传感器反馈被用作编码器信号，以建立精确的里程数估计。由于尺寸和成本的原因，采用霍尔传感器代替光学编码器。霍尔传感器提供了比1毫米精度测量里程数与电机和齿轮头的组合选择。

正在进行软件开发
自动驾驶汽车在选择并实施合适的运动控制系统后，通常需要大量的软件工程工作。对于设计团队来说，获得平稳、可靠的导航机动，从而在广泛变化的环境中实现准确定位是一个更困难的挑战。为了处理梳理过程中可能发生的事件的数量和种类，需要使用多层软件。此外，控制逻辑的适当组织以允许导航行为的可扩展性是这个复杂系统中最困难的部分。

Holappa说:“软件开发将继续是一项持续不断的工作，即使已经投入了这么多年。”“虽然这艘船已经完全可以使用了，但仍有相当多的舰上测试要做。”随着项目的推进和进入该领域，无疑会出现额外的问题，需要解决。即使现在，车辆必须能够在敌对环境和未绘制地形中可靠地完成它的任务。然后它必须能够返回到船的水线上进行回收。该操作必须反复进行数天、数月、甚至数年，并同时在水中使用多个系统。

据Holappa介绍，尽管这听起来太难了，但一名技术人员最近接受了使用该车辆的培训，并在很短的时间内完全掌握了操作要领。用户界面借鉴了SeaRobotics的无人水面飞行器(USV)产品线，这是一个直观的图形驱动界面，已经被许多不同的客户使用了数百个小时。下一个主要重点将是构建界面，以提高易用性，并让非工程人员管理操作。

更多信息:

Maxon精密电机公司
http://www.maxonmotorusa.com

SeaRobotics公司
http://www.searobotics.com

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了下:编码器•光学，机械，运动控制•电机控制，机电一体化
标记:maxon

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