經(jīng)過多年，生物附著層會(huì)附著于許多大型船只底部。這些所謂的污垢大大降低了船只的航行速度。如今，船底經(jīng)常會(huì)噴涂有毒的漆面以抵消這種沉積過程。然而，這種做法并不環(huán)保，因?yàn)橛陀推釋⒉粩嘞蛩律鷳B(tài)環(huán)境釋放銅和其他重金屬，由此給那里的生物帶來危害。此外，每隔5到10年對(duì)船底進(jìn)行的重新磨光噴漆會(huì)帶來更為嚴(yán)重的結(jié)果。這會(huì)產(chǎn)生成噸的有毒垃圾。HullBUG通過刮鏟工具能夠環(huán)保而高效地清除生物附著層。

一艘底面潔凈的船只航行效率更高，光燃料成本就能節(jié)省5%。此外，大型船只經(jīng)過有效清潔后，時(shí)速可以提高10km/h。如果無需考慮生物附著層的問題，可以對(duì)船底涂層進(jìn)行優(yōu)化并將重點(diǎn)著眼于防腐處理上。若當(dāng)今世界各地運(yùn)營(yíng)的船只都采用這一方法，那么節(jié)省的能源將對(duì)降低溫室效應(yīng)做出極大貢獻(xiàn)。為了避免長(zhǎng)期使用有毒油漆，人們已經(jīng)開始尋找一種能夠有效清除船底生物附著層的方法。正式出于這一考慮，HullBUG的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生（船身仿生水下清理）。

“HullBUG的最大特點(diǎn)在于其小巧的尺寸”，SeaRobotics的研究工程師KennethHolappa博士解釋道。這臺(tái)機(jī)器人只有約半米長(zhǎng)。這是一個(gè)必要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以便機(jī)器人能夠在船底凹凸的表面上行動(dòng)，而不脫離表面。由于運(yùn)行這類水下設(shè)備存在風(fēng)險(xiǎn)，HullBUG可能會(huì)在港口環(huán)境下丟失或在作業(yè)過程中損壞，因此控制設(shè)備的大小和成本是一項(xiàng)關(guān)鍵條件。因此，項(xiàng)目伊始，小規(guī)格和低成本是理想實(shí)施HullBUG項(xiàng)目的關(guān)鍵因素。這些對(duì)于尺寸和重量的特殊要求也在HullBUG技術(shù)部件的選型上得以反映。

動(dòng)作控制部件

選擇HullBUG的驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，要考慮一系列關(guān)鍵的設(shè)計(jì)限制和調(diào)整。因此，SeaRobotics選擇制作兩款基本型號(hào)，一款為輪式，另一款為履帶式。在確定電機(jī)尺寸方面，必須考慮成品部件的功率、轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)。此外，還要考慮刮鏟工具在船體移動(dòng)時(shí)的阻力、機(jī)器人在水中移動(dòng)時(shí)的流體阻力、防止電機(jī)受到海水侵蝕的軸密封件的摩擦損耗以及（根據(jù)具體的版本）還要考慮車輪或履帶的摩擦。

“經(jīng)過廣泛的部件考察后，我們決定采用maxonmotor的電機(jī)和齒輪箱”，Holappa說道。“maxon的電機(jī)不僅能夠提供成本合理的方案，而且極為高效并且易于安裝。”公司選擇了配行星齒輪箱的EC盤式電機(jī)。HullBUG的履帶式版本采用了2個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置(EC45flat+GP42C)，而輪式版本則采用了4個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置。

另外一個(gè)EC45電機(jī)則集成于機(jī)器人的刮鏟工具內(nèi)。這臺(tái)電機(jī)與一個(gè)簡(jiǎn)化斜齒輪齒輪箱組合。將HullBUG吸附在船體底部的真空系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置則采用強(qiáng)力EC90盤式電機(jī)。

maxonmotor可以提供一系列配無鐵芯轉(zhuǎn)子的直流電機(jī)，以及規(guī)格在6mm至90mm功率在30毫瓦至500瓦的無刷電機(jī)。“齊全的產(chǎn)品門類以及高品質(zhì)的服務(wù)質(zhì)量使我們確信選擇了正確的合作伙伴”，Holappa補(bǔ)充道。由maxonmotor制造的電機(jī)使用壽命長(zhǎng)，規(guī)格小巧。全系列無刷EC電機(jī)采用電子換向。這一方案由于不會(huì)引起磨損，因此可以提供超長(zhǎng)使用壽命。選擇的電機(jī)尤其針對(duì)機(jī)器人應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其規(guī)格和重量都是選型的核心標(biāo)準(zhǔn)。HullBUG所選用的EC45盤式電機(jī)工作極為高效，重量?jī)H為75克。全部6件EC盤式電機(jī)的輸出功率都超過30瓦。扭矩為這項(xiàng)應(yīng)用的最關(guān)鍵參數(shù)。即使在能夠使用HullBug的惡劣環(huán)境條件下，EC45也能根據(jù)選用的繞組持續(xù)提供高達(dá)56豪牛米的極限扭矩。Holappa解釋道：“GP42齒輪箱的巨大負(fù)載能力使車輪能夠直接安裝于齒輪箱的軸上，由此大大降低系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。”

maxon制造的齒輪箱可以與不同減速比匹配，以便根據(jù)實(shí)際應(yīng)用實(shí)現(xiàn)減速或扭矩加倍。由于HullBUG機(jī)器人車要滿足完全自主的要求，因此設(shè)計(jì)方案必須保證能夠在電池模式下工作多個(gè)小時(shí)。電纜只會(huì)給刮鏟作業(yè)帶來麻煩。為了達(dá)到電池的使用壽命極限，生物附著層的刮除作業(yè)方式必須盡量高效。

智能導(dǎo)航

在可能遇到需要導(dǎo)航的情況下，就好比使用電動(dòng)割草機(jī)時(shí)，雖然機(jī)器能夠最終完成任務(wù)，但完成的速度卻不一定會(huì)足夠快。此外，船底幅面一般非常巨大，通常都超過3000平米。為了保證底面清潔，船方會(huì)同時(shí)

投入多臺(tái)HullBUG機(jī)器人車。機(jī)器人需要一套能確保導(dǎo)航縝密而協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。因此，公司開發(fā)了一組能夠幫助HullBUG實(shí)現(xiàn)有效清潔船只的不同導(dǎo)航模式。船底面將劃分成多個(gè)區(qū)域。一大批算法經(jīng)過求積，以逐步清潔船只。此外，還采用補(bǔ)充算法和相應(yīng)的傳感器，以確保平面船底的有效清潔。此外，還能通過微型聲波測(cè)距聲納(MARS)操控HullBUG。

為此，公司還特別研發(fā)了帶集中發(fā)射波束的短距離聲納，以便機(jī)器人小車能夠“看清”前方的板壁或下陷的邊緣。另一種導(dǎo)航方式則利用微機(jī)電傳感器系統(tǒng)(MEMS)來傳遞導(dǎo)航信息。還有一種反饋模式則采用以編碼器為基礎(chǔ)的里程表。該里程表根據(jù)其推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行定位。通過從電機(jī)提取傳感器反饋信息以便對(duì)路線進(jìn)行精確評(píng)估。電機(jī)的霍爾傳感器因其小巧廉價(jià)而代替了輔助光學(xué)編碼器得到應(yīng)用?；魻杺鞲衅髋c選用的電機(jī)/齒輪箱組合相匹配，使里程測(cè)算用的精度達(dá)到1毫米以下。

持續(xù)進(jìn)行的軟件開發(fā)

一旦為自控機(jī)器人車選定了合適的動(dòng)作控制系統(tǒng)并投入實(shí)施后，軟件開發(fā)將始終占開發(fā)成本的一個(gè)重頭。開發(fā)小組所面臨的更高挑戰(zhàn)之一便是設(shè)計(jì)出順暢而可靠的導(dǎo)航動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)在特殊環(huán)境條件下的精確定位。這需要多項(xiàng)編程，以便對(duì)船體清潔過程中可能出現(xiàn)的不同情況作出反應(yīng)。這套復(fù)雜系統(tǒng)中最為困難的部分在于控制邏輯的正確架構(gòu)，擴(kuò)展導(dǎo)航行為。

“即便已經(jīng)投入了多年的艱苦工作，還需要對(duì)軟件開發(fā)投入高額成本”，Holappa先生敘述道。“雖然，機(jī)器人小車已經(jīng)完全具備使用條件，但是還要在船體上進(jìn)行一系列測(cè)試。”如今，機(jī)器人車就已經(jīng)能夠在極為不利的條件下，在沒有繪制圖像的區(qū)域中完成自己的任務(wù)。此外，小車還必須能夠返回水面進(jìn)行回收。這聽起來是一項(xiàng)極為艱巨的任務(wù)，但是Holappa先生卻非常樂觀：“不久前，一位技術(shù)人員已經(jīng)接受了此項(xiàng)應(yīng)用培訓(xùn)并且在極短的時(shí)間內(nèi)掌握了此設(shè)備。用戶界面已經(jīng)包括在SeaRobotics的無人水面航行器(USV)產(chǎn)品系列中。該界面采用直觀的圖形界面。其效果在經(jīng)過多家不同客戶數(shù)百小時(shí)的實(shí)用后已得到驗(yàn)證”。小車工作無誤，導(dǎo)航軟件運(yùn)行正常。下一個(gè)目標(biāo)是構(gòu)建界面的結(jié)構(gòu)，以使HullBUG系統(tǒng)更易于用戶操作，即便是未經(jīng)過專門技術(shù)培訓(xùn)的人員也能夠操作系統(tǒng)。