本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）學(xué) 院 專 業(yè) 學(xué)生姓名 班級(jí)學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 I水下船體清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Design and realization of underwater cleaning robot II江 蘇 科 技 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)院名稱： 機(jī)電與汽車工程學(xué)院 專 業(yè)： 學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： III畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：水下船體清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.課程性質(zhì)（請?jiān)谙鄳?yīng)的選項(xiàng)上打勾）□縱向課題□已簽約的橫向課題√未簽約的橫向課題□實(shí)驗(yàn)室建設(shè)課題□模擬性課題□學(xué)生自選人文課題2.課題類型（請?jiān)谙鄳?yīng)的選項(xiàng)上打勾）√工程設(shè)計(jì)（實(shí)踐）□理論研究□實(shí)驗(yàn)研究□計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)□綜合 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、達(dá)到的指標(biāo)和應(yīng)做的實(shí)驗(yàn)等）主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：伴隨著海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國也加大了對海洋的重視程度，船舶行業(yè)逐漸興旺發(fā)達(dá)。但由于長時(shí)間在海洋中航行，導(dǎo)致各種小型水生物植物附著于船體表面，例如藤壺，海藻等。藤壺吸附在船體表面會(huì)導(dǎo)致輪船在行駛過程中阻力增大，增加輪船在行駛時(shí)的油耗，也污染了環(huán)境。因此必須對藤壺等小型水生物進(jìn)行處理。目前為了清掃船體表面分為化學(xué)方法和物理方法，而化學(xué)方法一般為通過研制一些特殊的材料或者物質(zhì)來驅(qū)趕藤壺，不過由于材料的磨損和溶解導(dǎo)致海水被污染，并且當(dāng)材料溶解完全時(shí)，藤壺等水生物又會(huì)吸附在船體表面。而物理方法則為通過一些清掃機(jī)構(gòu)在船體表面進(jìn)行船體表面的清掃，以達(dá)到船體表面的清掃作用。而通過清掃機(jī)構(gòu)清掃有兩種，一種為人工方式，通過手持清掃器在船體表面進(jìn)行清掃，另一種則是通過自動(dòng)清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃，人工進(jìn)行船體表面清掃效率不高，而且成本比較高，而自動(dòng)清掃機(jī)構(gòu)則可以提高工作效率，并且清掃的成本會(huì)非常低。本設(shè)計(jì)就是根據(jù)這一工IV程應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)水下船體清掃機(jī)器人，并對其進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：2 主要完成內(nèi)容（包括應(yīng)做的實(shí)驗(yàn)）1）收集整理目前現(xiàn)有水下船體清掃機(jī)器人的有關(guān)資料；2）討論水下船體清掃機(jī)器人系統(tǒng)的組成，確定其機(jī)械結(jié)構(gòu)及電控系統(tǒng)形式；3）水下船體清掃機(jī)器人三維造型及有限元分析，并對各部件進(jìn)行優(yōu)化；4）水下船體清掃機(jī)器人二維圖紙繪制；5）水下船體清掃機(jī)器人制作實(shí)現(xiàn)?；驹O(shè)計(jì)思路：1）通過查閱資料了解水下船體清掃機(jī)器人的研究現(xiàn)狀；2）對水下船體清掃機(jī)器人的形式進(jìn)行分析比較；3）水下船體清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)三維造型及有限元分析，并對各部件進(jìn)行優(yōu)化；4）水下船體清掃機(jī)器人二維圖紙繪制；5）水下船體清掃機(jī)器人制作實(shí)現(xiàn)。二、完成后應(yīng)交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）1． 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一份（不少于 1.5 萬字）； 2． 外文譯文一篇（中文不少于 3000 字）；3. 一套完整的設(shè)計(jì)圖；V4. 樣機(jī)一套。三、完成日期及進(jìn)度自 2016 年 2 月 22 日起至 2016 年 6 月 5 日,共 15 周。 進(jìn)度安排： 2.22~3.06 搜集資料 3.07~3.11 結(jié)構(gòu)分析比較，英文翻譯，綜述 3.12~3.13 開題答辯 3.14~4.10 三維造型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 4.11~4.20 二維圖紙繪制 4.21~5.20 樣機(jī)制作 5.21~5.29 設(shè)計(jì)說明書 6.3 日之前 必須提交論文 6.4 答辯VI四、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）:[1] 袁夫彩;陸念力;王立權(quán)．水下船體清刷機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其試驗(yàn)的研究[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2008，1：537-540．[2]任夢鴻.水下船體表面清刷機(jī)器人復(fù)合吸附方法的研究[D].哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，哈爾濱，2009[3]竇京.帶纜遙控水下機(jī)器人總體設(shè)計(jì)及流體動(dòng)力特性研究[D].江蘇科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，鎮(zhèn)江，2014[4]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT 流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用介紹[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004：1-365 [5]王瑞金，張凱， 王剛.Fluent 技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 2007：100-321[6]張宏，李志剛，趙宏林等.深水海底管道鋪管設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀與國產(chǎn)化設(shè)想[J].石油機(jī)械，2008，36（9）：201-204[7]程耿東．關(guān)于桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中得奇異最優(yōu)解[J]．大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，40（4）：379-382．[8] 博弈創(chuàng)作室 編著．APDL 參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M]．北京：中國水利水電出版社，2004：149-154．[9] 葉先磊，史亞杰．ANSYS 工程分析軟件應(yīng)用實(shí)例[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003：171-196．[10]基于 MATLAB 的盤式制動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程及自動(dòng)化. 2007，6(12)：158-161.[11]尚曉江，邱峰，趙海峰．ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M]．北京：中國水利水電出版社，2008：330-348．[12]王國強(qiáng)．機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：2-8．系(教研室) 主任： （簽章） 年 月 日學(xué)院主管（系）領(lǐng)導(dǎo)： （簽章） 年 月 日VII摘 要近年來伴隨著海洋經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國也加大了對海洋事業(yè)開發(fā)的重視程度，船舶行業(yè)逐漸興旺發(fā)達(dá)。但由于長時(shí)間在海洋中航行，導(dǎo)致各種小型水生物植物附著于船體表面，例如藤壺，海藻，貝類等。其吸附于船體表面會(huì)導(dǎo)致輪船在行駛過程中阻力增大，增加輪船在行駛時(shí)的油耗，同時(shí)也污染環(huán)境。因此對藤壺、海藻等船體附著物進(jìn)行相關(guān)的清掃處理成為當(dāng)務(wù)之急。水下機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)短期階段性清掃，成本低廉，并可以在船航行時(shí)進(jìn)行清掃，在航海業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。但目前已有的水下機(jī)器人存在效率低下，清掃質(zhì)量無法滿足市場需求，對于藤壺等強(qiáng)力附著物無法進(jìn)行有效清掃。針對上述問題，本文在基于負(fù)壓吸附與強(qiáng)磁履帶模塊協(xié)調(diào)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種包圍式履帶移動(dòng)平臺(tái)，此平臺(tái)通過四條履帶的吸附配合和移動(dòng)配合方案確保機(jī)器人在船面全方位移動(dòng)。在清掃機(jī)構(gòu)方面采用模塊化設(shè)計(jì)理念，針對附著物附著特點(diǎn)設(shè)計(jì)專業(yè)清掃模塊，通過模塊化接口組合實(shí)現(xiàn)分級(jí)清掃功能。最后，通過友好的人機(jī)界面和任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，將清掃質(zhì)量及效率參數(shù)實(shí)時(shí)反饋于監(jiān)管系統(tǒng)，具有良好的可操作性，保證了清掃質(zhì)量。首先，分析了目前水下清掃船體機(jī)器人系統(tǒng)組成及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，根據(jù)工作需求提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案與技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)了整體機(jī)械結(jié)構(gòu)原理模型。進(jìn)而具體剖析了水下清掃船體機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算其吸附力及吸附效果，分析型材及電機(jī)選型，標(biāo)準(zhǔn)件選用等。運(yùn)用虛擬樣機(jī)模型技術(shù)，建立清掃船體機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型，同時(shí)針對關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析校核其強(qiáng)度，為實(shí)物樣機(jī)的制作提供了有力的理論依據(jù)。繪制加工圖紙，加工零件，并裝配樣機(jī)。其次，根據(jù)其功能需要設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)，繪制電路原理圖，搭建控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，整理系統(tǒng)框圖和實(shí)物框圖，完善其控制系統(tǒng)，并檢測其電控系統(tǒng)穩(wěn)定性。最后，測試其移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)特性，對移動(dòng)以及清掃進(jìn)行穩(wěn)定性判斷，分析其移動(dòng)特性及清掃特點(diǎn)，進(jìn)一步保證了清掃船體機(jī)器人的工作安全性和可靠性，為水下清掃船體機(jī)器人的進(jìn)一步研究打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：清掃船體機(jī)器人；模塊化；全方位移動(dòng)；虛擬樣機(jī)VIIIAbstractIn recent years, with the rapid development of marine economy, China has also increased the degree of attention to the development of marine industry, marine industry gradually developed However, because of the long time sailing in the ocean, resulting in a variety of small water plants attached to the hull surface, such as barnacles and seaweed, shellfish and so on. Its adsorption on the surface of the hull will lead to increase in the resistance of the ship in the process of running, increase the fuel consumption of the ship when traveling, but also pollute the environment. So the barnacles, algae and other related attachments hull cleaning has become a pressing matter of the moment. The underwater robot can achieve short-term cleaning, low cost, and can be cleaned when the ship is sailing, and it has a wide range of application prospects in the navigation industry. But at present, the existing underwater robot has low efficiency and the cleaning quality unable to meet market demand, the barnacles strong attachments cannot be effectively sweep.In view of the above problems, this paper based on negative pressure adsorption and strong magnetic crawler module coordination technology design a surrounded by crawler type mobile platform. This platform by the adsorption of the four band with and movement with the program to ensure the deck of the omnidirectional mobile robot in. The modular design concept is adopted in the cleaning mechanism, and the cleaning module is designed according to the characteristic of the attachment. At last, through the friendly man-machine interface and task scheduling system, the cleaning quality and efficiency parameters are real-time feedback to the supervision system, which has good operability, and can ensure the quality of cleaning. The main contents of this paper are:First, the analysis of the current underwater cleaning hull robot system composition and domestic and foreign research present situation, according to the requirements of the work, put forward corresponding design architecture, key structure of the implementation scheme and technical parameters, design the overall principles of mechanical structure model.Then the mechanical structure design of the underwater cleaning robot is analyzed, the adsorption capacity and the adsorption effect are calculated, and the selection of the IXprofile and the motor is analyzed. Using virtual prototype technology, establish sweeping hull robot virtual prototype model, while for joint structure, finite element analysis and checking the strength and provides a strong theoretical basis for making the physical prototype. Drawing working drawings, machining parts, and assembly prototype.Secondly, according to the function of the required design of electrical control system, draw the circuit schematic diagram, set up the control system and drive system, finishing system and object diagram, improve the control systems, and to detect the stability of the control system.Finally, test the moving mechanism moving characteristics, of mobile and cleaning in judging the stability of the moving characteristics and cleaning characteristics, further guarantees the cleaning hull robot work safety and reliability, water cleaning and laid a solid foundation for further study of hull robot.Keywords: cleaning robot; modularization; omnidirectional movement; virtual prototypeX目 錄第一章 緒論 11.1 課題研究背景 .11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .31.3 課題研究的目的與意義 .41.4 課題研究的主要內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù) .51.5 本章小結(jié) .6第二章 水下清掃船體機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) .72.1 水下清掃船體機(jī)器人設(shè)計(jì)要求 .72.2 水下清掃船體機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)方案 .92.2.1 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 .92.2.2 設(shè)計(jì)方法 .92.2.3 移動(dòng)平臺(tái)方案設(shè)計(jì) .112.2.4 清掃機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) .142.3 水下 清掃船體機(jī)器人的電控系統(tǒng)方案 .152.3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 .152.3.2 傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 .162.4 本章小結(jié) .16第三章 水下清掃船體機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì) .183.1 水下清掃船體機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)分析 .183.1.2 水下清掃船體機(jī)器人關(guān)鍵位姿受力分析 183.2 水下清掃 船體機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì) .203.2.1 履帶吸附結(jié)構(gòu) .233.2.2 負(fù)載輪結(jié)構(gòu) .233.2.3 鏈輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu) .233.2.4 履帶張緊結(jié)構(gòu) .233.3 水下清掃船體機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)整體搭建 .24XI3.4 本章小結(jié) .26第四章 水下清掃機(jī)器人的清掃系統(tǒng)設(shè)計(jì) 274.1 水下清掃船體機(jī)器人清掃系統(tǒng)設(shè)計(jì) .274.1.1 定力矩清掃刀具模塊設(shè)計(jì)…………………………………………………….274.1.2 外圍柔性毛刷清掃設(shè)計(jì)及整體清掃盤布局………………………………….294.2 本章小結(jié) .30第五章 水下清掃機(jī)器人電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) .315.1 驅(qū)動(dòng)電路分析及設(shè)計(jì) .315.2 控制器的選用 .325.3 本章小結(jié) 33第六章 水下清 掃船體機(jī)器人樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn) 346.1 關(guān)鍵零件的材料選用 .346.1.1 整體支撐框架鋁合金型材的選用 .356.1.2 履帶固定板 ABS 板 356.1.3 PLA3D 打印機(jī)材料 .356.1.4 磁輪軸選材碳素桿 366.2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡化及試制 .366.3 清掃機(jī)構(gòu)的簡化及試制 .416.3.1 簡化清掃機(jī)構(gòu)及關(guān)鍵件分析 .416.3.2 關(guān)鍵件加工仿真及制作 416.4 整體裝配與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 .446.5 本章小結(jié)………………………………………………………………………….45結(jié) 論 .46致 謝 .47參考文獻(xiàn) .481第一章 緒論1.1 課題研究背景近年來隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國也逐漸加大了對海洋經(jīng)濟(jì)的開發(fā)和利用成都，船舶行業(yè)逐漸興旺發(fā)達(dá)起來。由于長時(shí)間在海洋中航行，導(dǎo)致各種水生動(dòng)植物附著于船體表面及鉆井平臺(tái)表面，一方面加速了鉆井平臺(tái)水下部分的腐蝕速度，影響其使用壽命，另一方面其吸附于船體表面會(huì)增加船體行駛阻力從而影響航船的速度、增加油耗。近年來，海洋船體附著物一直影響著船主，每年為清掃船體的此類附著物大約需要花費(fèi)數(shù)十億英鎊。當(dāng)前船運(yùn)市場的形式及其嚴(yán)峻，并且由于國際燃油市場的油價(jià)高居不下，國際船運(yùn)公司出于降本增效、降低能耗的考慮，采取了極端降速的措施，因此加劇了海洋生物附著物的附著以及對船舶的不利影響。同時(shí)，海洋生物附著物也會(huì)對船舶的主機(jī)產(chǎn)生影響，降低了主機(jī)的使用壽命，增加運(yùn)營成本。研究表明，當(dāng)船體有了海洋生物附著物之后，船速會(huì)降低 10%，油耗會(huì)上漲 40%，全球船業(yè)每年因此而耗費(fèi)的油費(fèi)大約有 100 億美元 [1-2]。海洋船體被附著一直都是一個(gè)老問題，盡管現(xiàn)在水下的船體部分都是使用高科技的防污漆，但是長時(shí)間的降速航行、漂航以及拋錨船舶船體還是難以避免海洋附著物的附著?，F(xiàn)有防附著物的水中涂料，此種涂料中含有一種可以抑制附著物生長的化學(xué)物質(zhì)，但此種方法污染環(huán)境，影響海中生物的常態(tài)生長，另外涂料需要定期補(bǔ)漆，也帶來了許多不便 [3-4]，如圖 1-1 所示為常見船體附作物。(a)船體附著狀況 (b)附著物圖 1-1 船體附作物目前主要還是采用對船體表面附著物清掃的方式，現(xiàn)有清掃方式有：船塢清掃、人工潛水清掃以及水下機(jī)器人清掃 [5]。1）船塢清掃2船塢清掃是目前清掃質(zhì)量最好的清掃方式，船塢清掃的同時(shí)，會(huì)進(jìn)行船體打磨去銹補(bǔ)漆等工序，是一種較為全面的，在清理船體表面附著物的同時(shí)可維護(hù)船體。如圖 1-2 所示為船塢清掃附作物。圖 1-2 船塢清掃附作物但目前，進(jìn)船塢清掃成本高，延誤航行，只作為長期航行后休整時(shí)采用。無法滿足現(xiàn)代航海業(yè)的需求。2）人工潛水清掃人工潛水水下清理多采用船舶水下空化清洗系統(tǒng)，它是由清洗器以及為清洗器輸出高壓液的動(dòng)力裝置構(gòu)成，該動(dòng)力裝置是由柴油機(jī)、自吸前置泵、過濾器、柱塞泵和高壓液軟管構(gòu)成，自吸前置泵、過濾器和柱塞泵依次連接，高壓液軟管的一端與柱塞泵的高壓液輸出端連接，另一端與清洗槍或清洗盤或打磨裝置連接，高壓液軟管上設(shè)有溢流閥和儲(chǔ)能器，清洗槍上設(shè)有抵消后坐力用噴頭和消聲器。該動(dòng)力設(shè)備為空化射流提供了高壓海水，較強(qiáng)的空化射流不僅提高了清洗效率，而且還避免了對船舶油漆涂層所造成的破壞。但需要人工手持操作，具有安全隱患，清掃時(shí)船只許靠岸停泊，效率較低。3）水下機(jī)器人清掃目前有的水下船體清掃機(jī)器人主要是英國的 SCAMP 水下清洗機(jī)，水下清洗系統(tǒng)為圓形裝置，形狀像淺碟子，通過葉輪的作用產(chǎn)生吸力，將清洗劑涂抹在工作面上，動(dòng)力由潛水電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙液壓泵提供。清掃車以常速移動(dòng),清洗帶寬約 1.7m,清洗效率為 1653.6m2/h。操作在母船上執(zhí)行, 通過同軸電纜連接到操作臺(tái),清洗機(jī)上的電力控制裝置在一個(gè)密閉的電力分配箱上。清洗機(jī)的前進(jìn)，停止或倒退通過控制臺(tái)或潛水員控制。由于它的直徑相當(dāng)大，在窄拐角處不能使用，只能適用于曲率較大的水面船舶的船體部位，海水吸入箱，螺旋槳等不易清理的部位仍需要潛水員手持清3潔刷進(jìn)行作業(yè) [5]，針對藤壺等強(qiáng)力附著物無法進(jìn)行有效清掃，且污染環(huán)境，仍無法被國內(nèi)航海業(yè)所廣泛接受。水下機(jī)器人依舊處于開發(fā)推廣階段，由于國內(nèi)具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的較少，且已有的水下機(jī)器人清掃效率和質(zhì)量難以滿足需求。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從國內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)來看，目前用于水下清掃用的機(jī)器人還不是很多。像類似于這種壁面清掃或者是檢測用的機(jī)器人大多是爬壁機(jī)器人，而這種爬壁機(jī)器人是機(jī)器人中的新品種，用于在垂直壁面上工作，由于這種工作超過了人類極限，因此又稱為極限作業(yè)機(jī)器人。從相關(guān)文獻(xiàn)查看得知，水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要分為移動(dòng)機(jī)構(gòu)和清掃機(jī)構(gòu)，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)是指就是爬壁機(jī)器人，爬壁機(jī)器人的研究已經(jīng)相當(dāng)?shù)亩?，但是用于?shí)際的工作當(dāng)中的還是很少的，但是隨著研究的深入，理論的完善，工程實(shí)踐中會(huì)涌現(xiàn)越來越多的此類機(jī)器人。爬壁機(jī)器人的研究重點(diǎn)是如何使機(jī)器人成功的吸附在壁面及在壁面穩(wěn)定的行走，又如何自由的避開障礙物等問題。從目前國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)中查看，總的來說，爬壁機(jī)器人的吸附方式有許多。但是這幾種吸附方式都是各有優(yōu)缺點(diǎn)。對于真空吸附而言，它不會(huì)受吸附壁面的材料所限，不管是什么樣的壁面材料，真空吸附方式的爬壁機(jī)器人都是可以吸附的，但是真空吸附的缺點(diǎn)又是顯而易見的，那就是，當(dāng)壁面凹凸不平的時(shí)候，真空吸附的吸力就會(huì)受到影響，從而它的承載能力就會(huì)下降；磁吸附它可以分為兩種方式，一種是永磁吸附，另一種是電磁吸附。對于磁吸附而言，他對于壁面的材料是很有約束的，必須是鐵磁性材料才可以吸附，這相對于真空吸附而言約束是很大的，但是它也有自己的優(yōu)點(diǎn)，那就是它的結(jié)構(gòu)簡單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附，并且對于凹凸不平的壁面它的適應(yīng)能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于真空吸附的；氣流負(fù)壓吸附的原理則是根據(jù)靠螺旋槳產(chǎn)生的氣流負(fù)壓力的壁面法向分量將機(jī)器人壓在壁面上，這種方式的吸附的最大優(yōu)勢就在于它的吸附大小可以控制，但是它的運(yùn)動(dòng)精度以及吸附的穩(wěn)定性是有限的 [6]。法國的 BK 型、瑞典的曲雷爾和澳大利亞的 Anstralian 型的結(jié)構(gòu)均采用了水下運(yùn)載工具的設(shè)計(jì)原理，使裝置緊貼于船舷殼板做垂直或水平爬行，控制箱在工作艇上，4遙控操作。它的工作部分由 3 個(gè)轉(zhuǎn)刷，3 個(gè)行走輪和 1 個(gè)中心推進(jìn)器構(gòu)成。動(dòng)力源是液壓或氣動(dòng) [7]。典型的有英國的 SCAMP 水下清洗機(jī)，它是一種廣為使用廣泛的水下清洗系統(tǒng)，由美國的巴特沃思系統(tǒng)公司研制，為圓形裝置，形狀像淺碟子，通過葉輪的作用產(chǎn)生吸力，將清洗劑涂抹在工作面上，動(dòng)力由潛水電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙液壓泵提供，1 個(gè)泵驅(qū)動(dòng)葉輪,另 1 個(gè)泵帶動(dòng) 3 個(gè)牽引輪和清洗刷，牽引力約 2040N。清掃車以常速移動(dòng),清洗帶寬約 1.7m,清洗效率為 1653.6m2/h。操作在母船上執(zhí)行, 通過同軸電纜連接到操作臺(tái),清洗機(jī)上的電力控制裝置在一個(gè)密閉的電力分配箱上。清洗機(jī)的前進(jìn)，停止或倒退通過控制臺(tái)或潛水員控制。由于它的直徑相當(dāng)大，在窄拐角處不能使用，只能適用于曲率較大的水面船舶的船體部位，海水吸入箱，螺旋槳等不易清理的部位仍需要潛水員手持清潔刷進(jìn)行作業(yè)。行走多刷式水下清掃裝置：他的工作部分由 2 個(gè)轉(zhuǎn)刷，3 個(gè)行走輪和 1 個(gè)中心推進(jìn)器構(gòu)成。在國內(nèi)，水下清刷作業(yè)自 1983 年在廈門、天津、秦皇島、煙臺(tái)、大連等地建立業(yè)務(wù)。國內(nèi)引進(jìn)的清刷作業(yè)設(shè)備，主要在夏季水溫較高和在海水能見度高的港口才可以使用，有很大的局限性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)從 1991 年開始研制了檢測圖層厚度和噴漆防銹的履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人。上海交通大學(xué)從 1992 年開始研制測量油罐容積的履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人。目前有哈爾濱工程大學(xué)所研制的水下船體表面清刷機(jī)器人 [8-9]，這種機(jī)器人采用雙履帶永磁吸附方式吸附在船體的水下部分。它能在不影響船只正常行駛的情況下，利用其頭部的鋼刷對船體表面銹蝕、吸附的海洋生物等進(jìn)行清理。1.3 課題研究的目的與意義目前許多港口都設(shè)有船塢對于遠(yuǎn)航而來的船只提供清掃及維修等服務(wù)，從而減小船舶運(yùn)行阻力，提高運(yùn)行速度，降低能耗，提高燃油的經(jīng)濟(jì)性，并且這一措施取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，但由于船塢數(shù)量有限，而需要清掃的船只數(shù)量較大，這帶來了許多問題。為了清掃去除船體附著物，避免其對船體航行的不良影響。水下機(jī)器人可在船體航行時(shí)對船體進(jìn)行實(shí)時(shí)清掃，無需停船清掃，同時(shí)避免了人工潛水清掃的危險(xiǎn)性，是一種長期采用并可以明顯控制船體附著物的清掃方式。但由于目前水下清掃船體5機(jī)器人清掃效率低，且無法對船體一些窄拐角處等曲率小的地方進(jìn)行清掃，而船體主要的推進(jìn)裝置等結(jié)構(gòu)都是曲率小的部分，只能人工潛水清掃，水下清掃船體機(jī)器人的優(yōu)勢無法體現(xiàn)，仍無法真正得到普及。本課題設(shè)計(jì)并制作一種可全方位移動(dòng)并可針對不同附著物進(jìn)行分級(jí)清掃的機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)水下自動(dòng)清掃船體的功能。1.4 課題研究的主要內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)圍繞水下船體清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)與開發(fā)，本項(xiàng)目將從以下幾個(gè)方面開展研究：① 移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；② 履帶吸附裝置設(shè)計(jì)；③ 清掃盤組裝模塊化設(shè)計(jì)；④ 清掃盤分級(jí)清掃結(jié)構(gòu)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；⑤ 移動(dòng)及清掃協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1）履帶行走及吸附結(jié)構(gòu)及方法設(shè)計(jì)磁輪通過內(nèi)部潤滑軸套和鋁棒固定于兩個(gè)履帶節(jié)之間，每個(gè)履帶節(jié)中央設(shè)計(jì)有方形磁鐵，提供額外吸附力。在船面上，磁輪吸附于船面，與船面直接接觸，方形磁鐵與船面略有一定間隙，通過履帶的張緊機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)，保證了磁輪的滾動(dòng)平滑性，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)運(yùn)行可靠，可以提供充足的爬升力和吸附力。單獨(dú)的履帶模塊側(cè)向可以自由滑動(dòng)，其側(cè)向定位由相鄰安置的兩條履帶來提供側(cè)向力還定位，這將是本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)研究方面的關(guān)鍵技術(shù)之一。2）履帶模塊交錯(cuò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)履帶模塊采用彼此交錯(cuò)設(shè)計(jì)方式，可以根據(jù)客戶的需求，在設(shè)定好中央功能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)后，通過履帶模塊長度的調(diào)整，調(diào)整其吸附力，順應(yīng)不同的工作環(huán)境及不同的工作需求，大大提高了其移動(dòng)機(jī)構(gòu)的通用性，這將是本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)研究方面的另一關(guān)鍵技術(shù)。3）清掃盤分級(jí)清掃系統(tǒng)及方法設(shè)計(jì)清掃盤分為不同的環(huán)形區(qū)域，可以根據(jù)使用需要組合，針對于水下的藻類附著物，采用最外圍毛刷清掃的方式，內(nèi)環(huán)使用定力矩柔性刀具，在清掃藤壺等強(qiáng)力附著物是避免對船體的傷害，這將是本項(xiàng)目控制系統(tǒng)研究方面的關(guān)鍵技術(shù)之一。64）水下清掃機(jī)器人移動(dòng)與清掃協(xié)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的水下清掃機(jī)器人涉及帶有人機(jī)交互界面的狀態(tài)監(jiān)控及功能操作軟件，目的是對清掃質(zhì)量和機(jī)體穩(wěn)定性進(jìn)行可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，交互界面亦可以對工作模型進(jìn)行設(shè)置，并通過串口無線模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的信息交互，這將是本項(xiàng)目控制系統(tǒng)研究方面的另一關(guān)鍵技術(shù)。1.5 本章小結(jié)本章分析了現(xiàn)有清掃船體方式，總結(jié)了目前清掃方式的不足，針對下面要改進(jìn)的方向進(jìn)行了確定，明確了水下清掃船體機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)和主要研究內(nèi)容。7第二章 水下清掃船體機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)2.1 水下清掃船體機(jī)器人設(shè)計(jì)要求水下清掃船體機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)是其能夠在水下吸附于船體表面（包括各種曲率表面的船體）的同時(shí)可以通過其承載的清掃模塊，針對于易去除的藻類植物以及藤壺、貝類等難以去除的強(qiáng)力附著物進(jìn)行分級(jí)清掃。它的行為可以通過自主判別進(jìn)行智能清掃，另外可以通過操作員的遠(yuǎn)程操控在附著物眾多或船體的重要部位進(jìn)行有針對性的強(qiáng)力清掃。在制定機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，需要根據(jù)其功能、外形及清掃質(zhì)量、效率等參數(shù)才進(jìn)行設(shè)定。其需要具備的功能如表 2-1 所示。表 2-1 理想狀態(tài)下的水下清掃船體機(jī)器人設(shè)計(jì)要求功能 要求動(dòng)態(tài)性能 在負(fù)載 9-16 組清掃機(jī)構(gòu)的同時(shí)可以承載其他功能模塊。能夠耐受水流的沖擊，船體的傾斜及震動(dòng)。1.運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)，反應(yīng)較快。2.機(jī)構(gòu)耐沖擊，具有良好的電路保護(hù)措施。具有良好的清掃、移動(dòng)協(xié)調(diào)性，及全方位移動(dòng)特性。外形 最大尺寸應(yīng)小于船體切線尺寸。吸附船體性能 工作范圍：適用于不同曲率的船體。信息感知能力 1.能夠在渾濁的海水中感知清掃質(zhì)量。2.各項(xiàng)清掃參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。路徑規(guī)劃與導(dǎo)航 具有自主導(dǎo)航巡回功能，可于船體表面自主定位。目前國內(nèi)外的水下清掃船體機(jī)器人，多采用履帶強(qiáng)磁吸附與負(fù)壓吸附技術(shù)相結(jié)合，通過負(fù)壓推進(jìn)技術(shù)保證機(jī)器人在下水后可以自主移動(dòng)吸附于船體表面，另一方面當(dāng)機(jī)器人吸附于船體表面后運(yùn)用履帶強(qiáng)磁吸附保證機(jī)體在船體表面的工作穩(wěn)定性。但仍有諸多不足。一方面，移動(dòng)機(jī)構(gòu)的履帶強(qiáng)磁吸附技術(shù)其轉(zhuǎn)向方式為差速轉(zhuǎn)向，此種轉(zhuǎn)向方式在船體表面發(fā)生側(cè)向滑移即利用其滑動(dòng)摩擦來轉(zhuǎn)向。強(qiáng)磁外表面包裹有提高其摩擦系數(shù)的橡膠材料，在船體表面的轉(zhuǎn)向具有不穩(wěn)定性，其吸附能力在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)有波動(dòng)，8嚴(yán)重時(shí)機(jī)體甚至?xí)撾x船體。另一方面，此種轉(zhuǎn)向方式對與一些拐角較大，空間較小的角落無法做到無死角，降低其清掃質(zhì)量及清掃效率?，F(xiàn)有的清掃方式主要分為兩種，一是柔性清掃，即利用柔性毛刷多為尼龍材質(zhì)，清掃機(jī)構(gòu)為圓盤狀，在清掃盤上安裝有尼龍毛刷，通過緊貼在船體的清掃盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來去除附作物。此種方式針對與藻類等易去除的附著物可以得到較好的清掃效果，同時(shí)不會(huì)在清掃時(shí)傷害到船體的保護(hù)漆。另一種采用的是剛性清掃方式，大多通過剛性元件撞擊難以去除的船體附著物，如藤壺、貝類等。此種方式針對于此類附著物可以做到較好的清掃效果，但目前仍有問題待解決，剛性元件貼近船體表面對于船體凸起的焊縫難以規(guī)避，會(huì)出現(xiàn)傷害船體的情況，另外對于船體曲率較小的表面無法做到緊貼船體清掃的效果。綜合現(xiàn)有的水下清掃船體機(jī)器人，提出了機(jī)器人移動(dòng)方面的全方位無死角移動(dòng)，在清掃船體方面為提高其清掃質(zhì)量的同時(shí)不傷害到船體的理念。為此，產(chǎn)生了一種新型的水下清掃船體機(jī)器人方案，也為水下清掃船體機(jī)器人提出了更高的要求。其需要具備的要求如表 2-2 所示。表 2-2 新型水下清掃船體機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求` 特點(diǎn)移動(dòng)特性 1.具有全方位移動(dòng)能力；2.突破傳統(tǒng)的差速轉(zhuǎn)向方式，具有多角度移動(dòng)能力，運(yùn)動(dòng)更加靈活對船體的影響更?。?.吸附能力優(yōu)于傳統(tǒng)的兩條履帶吸附方式。清掃特性 1.清掃機(jī)構(gòu)運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)理念，可根據(jù)需要進(jìn)行自由并聯(lián)；2.清掃盤采用分級(jí)清掃，對于不同類型的附作物分別清掃；3.清掃機(jī)構(gòu)對于藻類等以去除附著物還是藤壺、貝類等難去除附著物都能進(jìn)行無損清掃，清掃效率及質(zhì)量更好；4.清掃機(jī)構(gòu)動(dòng)力輸出裝置輸出動(dòng)力更穩(wěn)定，具有良好的調(diào)節(jié)機(jī)制。92.2 水下清掃船體機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)方案2.2.1 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則水下清掃船體機(jī)器人作為設(shè)計(jì)對象，其整體機(jī)械系統(tǒng)包括：移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)以及清掃系統(tǒng)。展開來看，其移動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)由外圍履帶模塊、履帶張緊機(jī)構(gòu)、履帶承載機(jī)構(gòu)等組成。移動(dòng)平臺(tái)通過內(nèi)部的型材首尾交錯(cuò)連接組成支撐清掃機(jī)構(gòu)的整體架構(gòu)，并通過便捷的模塊化接口，可以自由連接，拓展其清掃模塊。另一方面其機(jī)械系統(tǒng)包含：支撐整體的框架，即內(nèi)部支撐架結(jié)構(gòu)；傳遞力的動(dòng)力件；傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)的同步帶、齒輪組等；執(zhí)行清掃的清掃盤；保證機(jī)體行進(jìn)的履帶結(jié)構(gòu)。根據(jù)對水下清掃船體機(jī)器人的分析發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)的主要有一下幾條原則：1）穩(wěn)定性。這是產(chǎn)品能夠存活的關(guān)鍵所在，是其他功能的基本保障。也是設(shè)計(jì)最初就要考慮的主要核心。這要求在設(shè)計(jì)時(shí)從機(jī)構(gòu)的基本原理，實(shí)施方案，加工策略等方面，完全符合工況和額定壽命角度去設(shè)定設(shè)計(jì)參數(shù)。2）實(shí)用性。采用可靠，經(jīng)濟(jì)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，這不僅降低了成本，也是批量化生產(chǎn)以及未來產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)。3）通用性。包含在功能性方面，這對水下清掃船體機(jī)器人提出了更高的要求。功能是產(chǎn)品贏得市場的重要保障，也是彰顯了產(chǎn)品優(yōu)越性的一個(gè)重要指標(biāo)。在已有的水下清掃船體機(jī)器人的基礎(chǔ)上，改進(jìn)其不足的同時(shí)，在功能性的方面，開創(chuàng)性的提出了通用性的概念。在清掃船體的同時(shí)，能過通過模塊的自由組合與拼接，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，也是產(chǎn)品的一大特色。2.2.2 設(shè)計(jì)方法基于上述的三條設(shè)計(jì)方略，針對于此機(jī)器人首先對整體進(jìn)行模塊劃分，將整體分為若干子單元，采用模塊化設(shè)計(jì)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)；另一方面，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件及各種型材來設(shè)計(jì)整體機(jī)構(gòu)。1）模塊化設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)方法由來已久，其思路是將產(chǎn)品或總系統(tǒng)作為研究對象，以功能分析為基礎(chǔ)，將整個(gè)產(chǎn)品分解為若干特定子單元體，考慮到各個(gè)子單元體之間的結(jié)構(gòu)10相互配合，同時(shí)需要功能相互配合。通過各模塊的自由組合可以得到不同功能，不同種類的產(chǎn)品，以此滿足不同工作中的使用要求。另一方面，各模塊之間的互換性好，也方便產(chǎn)品的修理和維護(hù)，是一種非常成熟的設(shè)計(jì)理念。在許多行業(yè)中都普遍存在（例如自動(dòng)化設(shè)備、計(jì)算機(jī)組裝。程序編寫乃至于庫函數(shù)本身都是模塊化的結(jié)晶）。模塊化理念在簡化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，降低成本還能縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)體系中，隨著工業(yè)化普及程度的不斷提高，模塊化的理念也滲透到各行各業(yè)。其工作性能及特點(diǎn)集中體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1、各個(gè)模塊之間運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)上具有獨(dú)立性；2、各個(gè)模塊具有獨(dú)立的功能，各自完成獨(dú)自的工作任務(wù)，確保工作的穩(wěn)定性；3、各個(gè)模塊之間采用自由化通用程度高的接口，機(jī)械接口在工作使用中方便快捷，互換性好，方便維修和保養(yǎng)。按照上述原則，可以將水下清掃船體機(jī)器人從功能上分為三塊結(jié)構(gòu)，移動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)和清掃盤機(jī)構(gòu)，以及整體框架（整體承載結(jié)構(gòu)）。移動(dòng)平臺(tái)，確保機(jī)體可以在船體表面順滑運(yùn)動(dòng)；清掃盤可以針對于不同的附著物進(jìn)行分類清掃。此兩個(gè)模塊通過承載模塊提供的接口進(jìn)行組合。模塊間相互組合，工作相互配合，設(shè)計(jì)中分開進(jìn)行設(shè)計(jì)和裝配，通過模塊的調(diào)整和組合，可以得到適用于不同船體的機(jī)器人產(chǎn)品，并且每個(gè)模塊可以根據(jù)需要更換。2）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件及成品部件設(shè)計(jì)零件及部件此產(chǎn)品的設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化流程，通過方案的討論及確定，進(jìn)行模塊化分類后，針對于不同的模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?；诖朔N設(shè)計(jì)方法，有效的降低了研發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期，減少了設(shè)計(jì)工作量，更提高了產(chǎn)品的性能與穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用了兩種途徑展開標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)：一、根據(jù)已有的設(shè)計(jì)對其進(jìn)行改良或重用，簡化設(shè)計(jì)；二、總結(jié)此設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，根據(jù)此特點(diǎn)提煉其核心結(jié)構(gòu)，在已有的標(biāo)準(zhǔn)化零件庫中查找和整理歸納，形成自己的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。如圖 2-1 所示，是已經(jīng)成型的標(biāo)準(zhǔn)化體系。表 2-3 為成品零部件選型系列。11水 下 清 掃 船 體 機(jī) 器 人移 動(dòng) 平 臺(tái) 清 掃 機(jī) 構(gòu)整 體 支 架磁 輪 吸 附 履 帶 模 塊驅(qū) 動(dòng) 輪 負(fù) 載 輪 誘 導(dǎo) 輪外 支 架渦 輪 負(fù) 壓 柔 性 刀 具壓 簧 柔 性 刀 具 剛 性 刀 具柔 性 外 環(huán)圖 2-1 標(biāo)準(zhǔn)化體系表 2-3 成品零部件選型系列功能模塊 可供選擇的成品零部件履帶驅(qū)動(dòng) 直流有刷電機(jī)與行星齒輪減速器清掃盤傳動(dòng) 標(biāo)準(zhǔn)同步齒形帶清掃盤 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形尼龍毛刷履帶連接件 標(biāo)準(zhǔn) 12A 側(cè)鏈板整機(jī)機(jī)架 標(biāo)準(zhǔn)鋁合金方管2.2.3 移動(dòng)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人構(gòu)成的基礎(chǔ)，是機(jī)器人工作的基本保障。在水下清掃船體機(jī)器人上，其更是機(jī)器人的重點(diǎn)所在，移動(dòng)機(jī)構(gòu)的吸附能力和吸附效果直接關(guān)系到了機(jī)器人能否勝任清掃工作，另一方面其運(yùn)動(dòng)的靈敏性和靈活性影響了清掃質(zhì)量。從機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)入手，其主要有輪式、足式、履帶式以及各種復(fù)合式。目前已有的水下清掃船體機(jī)器人采用的移動(dòng)方式主要有：強(qiáng)磁吸附履帶式、負(fù)壓推進(jìn)式、永磁吸盤吸附式、集群式等。強(qiáng)磁吸附履帶式現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)是在兩條平行履帶上分別安置有多塊強(qiáng)力永磁鐵，通過強(qiáng)力永磁鐵對船體的吸附保持機(jī)器人于船體表面行進(jìn)。但其轉(zhuǎn)向仍采用傳統(tǒng)的差速轉(zhuǎn)向原理，針對曲率較小，需要多次轉(zhuǎn)向的清掃角落無法進(jìn)入。負(fù)壓推進(jìn)式只要用水下推進(jìn)裝置，通過負(fù)壓將機(jī)器人機(jī)體壓于船體表面會(huì)發(fā)生滑移等問題，導(dǎo)致其無法平穩(wěn)的吸附于船體，效果不佳。永磁吸12盤式承載能力不足，且針對于滿是藤壺、貝類等附作物密集的船體表面無法做到有效吸附。集群式，是通過機(jī)器人機(jī)體上的多個(gè)子單元及小型吸附單元吸附于船體，間接的將機(jī)器人主體吸附于船體，此種方式開發(fā)成本高，且維護(hù)不便，在小型船體上無法普及，不被廣泛采用。水下清掃船體機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是其能夠在水下吸附于船體表面（各種曲率表面的船體），能夠在船航行時(shí)在有水流沖擊的情況下仍然可以在船體表面自如的行進(jìn)。他的行進(jìn)可以由操作人員控制另外也可以通過設(shè)置其工作模式，采用自主智能工作模式。其移動(dòng)平臺(tái)具有良好的模塊化接口和負(fù)載能力，可以在各種環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。在制定設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)常根據(jù)船體表面材料，粗糙度，清掃效率等要素提出機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)水下清掃船體的需要，采用強(qiáng)磁吸附技術(shù)，為了使更多的磁鐵吸附于船體表面，保障其工作穩(wěn)定性，采用履帶四面包圍結(jié)構(gòu)，如圖 2-2 所示。履 帶 模 塊 1整 體 支 架YX強(qiáng) 力 磁 鐵履 帶 模 塊 2履 帶 模 塊 3履 帶 模 塊 4圖 2-2 水下清掃船體機(jī)器人履帶包裹方案從增強(qiáng)吸附能力角度考慮而提出的四條履帶包圍模式，此種模式的難點(diǎn)在于采用方形磁鐵在機(jī)器人吸附于船體表面沿著 X 方向前進(jìn)時(shí)，受前后兩條 1、3 履帶上方形磁鐵吸附作用的影響，其 X 方向的運(yùn)動(dòng)受阻。同樣，當(dāng)機(jī)器人在船體表面沿著Y 方向行進(jìn)時(shí)，受左右兩條 2,4 履帶阻力的影響，其無法再 Y 方向上行進(jìn)。13由此，一種新型的履帶吸附結(jié)構(gòu)被提出，如圖 2-3 所示。履 帶 模 塊 1磁 輪YX履 帶 模 塊 3履 帶 模 塊 2履 帶 模 塊 4圖 2-3 新型水下清掃船體機(jī)器人履帶吸附方案采用磁輪吸附設(shè)計(jì)方案，其優(yōu)點(diǎn)較為明顯。磁輪吸附方式在機(jī)器人沿著 X 方向進(jìn)行時(shí)，1,3 履帶上的磁輪通過自身的轉(zhuǎn)動(dòng)避免了 1,3 履帶對于 2,4 履帶行進(jìn)的阻礙作用，而 2,4 履帶上的磁輪在行進(jìn)時(shí)，安裝于其上的磁輪沒有轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢，不會(huì)進(jìn)行Y 方向的滑移，其 Y 方向的運(yùn)動(dòng)被 1,3 履帶上的磁輪所限制，及利用了磁輪限制了其自身軸向方向的運(yùn)動(dòng)。通過這一原理設(shè)計(jì)了此方案。此種結(jié)構(gòu)可以在平面上進(jìn)行全方位移動(dòng)，拋棄了傳統(tǒng)的履帶差速轉(zhuǎn)向方式，從根本上解決了水下清掃船體機(jī)器人在船面上的無死角移動(dòng)。其不足在于磁輪與船體的接觸為線接觸，此種方式吸附效果不佳，需要額外補(bǔ)償，為此對上一磁輪方案進(jìn)行了改進(jìn)。通過兩角度，一方面，增加吸附磁輪的數(shù)量，由磁輪的吸附特性得知，其吸附力的大小隨著與被吸附物的距離增大而極具減小。即當(dāng)磁輪接觸船體表面時(shí)吸附力最強(qiáng)。而現(xiàn)有的水下清掃機(jī)器人其吸附磁鐵外圍也包裹了增大其摩擦系數(shù)的橡膠材料，吸附效果也非最佳狀態(tài)。單方面增加磁輪的數(shù)量可以增強(qiáng)其機(jī)體的吸附力。另一方面，吸取現(xiàn)有水下清掃機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，在各履帶模塊上另外安置有方形磁鐵吸附單元。為了避免其對船體的強(qiáng)力吸附影響機(jī)體在船體表面的全方位移動(dòng)，在磁輪吸附于船體表面的基礎(chǔ)上。方形磁鐵距離船體表面1-2mm。同時(shí)對磁輪轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活度提出了更高的要求。通過這種方式完全實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)構(gòu)的全方位移動(dòng)。為水下機(jī)器人的清掃工作提供了基本保障。142.2.4 清掃機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)清掃機(jī)構(gòu)是水下清掃機(jī)器人的核心，根據(jù)目前已有的清掃結(jié)構(gòu)來看，主要有：剛性清掃方式和柔性清掃方式。剛性清掃方式如圖 2-4 所示。圖 2-4 現(xiàn)有剛性清掃方式現(xiàn)有的剛性清掃方式，從圖 2-4 可以看出，其通過外圍剛性刀片 2 的快速旋轉(zhuǎn)來撞擊藤壺等強(qiáng)力附著物將之去除，但針對船體自身突起的焊縫等難以進(jìn)行有效規(guī)避。這損傷刀具的同時(shí)給船身帶來了不可避免的傷害，對于用戶而言是難以接受的。如圖 2-5 展示的柔性清掃方式，此種方式只能對藻類等易去除的附著物進(jìn)行有效的清掃，無法對藤壺、貝類等附著物進(jìn)行有效清掃。綜合已有的兩種清掃方式的優(yōu)弊，本文設(shè)計(jì)的水下清掃船體機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，在局部的設(shè)計(jì)中將此理念融入設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。15圖 2-5 現(xiàn)有柔性清掃方式此清掃機(jī)構(gòu)本身又根據(jù)其功能分為三部分。外環(huán)柔性尼龍毛刷，內(nèi)輻條定力矩清掃刷刀具，傳動(dòng)連接軸。如圖 2-6 所示。12346578圖 2-6 模塊化清掃刷盤其外環(huán)柔性毛刷在遇到藻類等易去除的附著物時(shí)，可以輕松的將藻類等刷掉。隨著清掃盤的逐漸推進(jìn)，藤壺表面經(jīng)過毛刷的簡單清掃后，由定力矩從藤壺側(cè)面，將藤壺沖擊撞擊離開。從三方面避免了和船體的剛性接觸，一方面定力矩刀具在毛刷接觸船體的基礎(chǔ)上，距離船體 2-3mm，有一定的間隙余量；另一方面，刀具采用定力矩設(shè)計(jì)方式，在沖擊到船體的時(shí)候，設(shè)定的沖擊力較大時(shí)，刀具回彈從一定程度上避免了全剛性沖擊；最后，刀具材料方面，其強(qiáng)度介于藤壺、貝類等強(qiáng)力附著物與船體之間。通過以上三種方法，多方面配合完善其清掃質(zhì)量。其內(nèi)輻條結(jié)構(gòu)根據(jù)流體力學(xué)分析設(shè)計(jì)為曲線型，在清掃船體的同時(shí)將清理殘?jiān)ㄟ^自身負(fù)壓沖出清掃區(qū)域，也提供了一部分船體附著力，是一種綜合性設(shè)計(jì)方案。162.3 水下清掃船體機(jī)器人的電控系統(tǒng)方案2.3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路水下清掃船體機(jī)器人動(dòng)力分別有：四個(gè)減速直流有刷電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)履帶前行動(dòng)力，另外一到兩個(gè)大扭矩直流無刷電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)清掃轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力。運(yùn)用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行分別控制。為了確?？刂凭?，避免外界信號(hào)干擾，采用光電耦合，將控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路分開設(shè)計(jì)。2.3.2 傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路針對水下清掃船體機(jī)器人特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，從安全、工作效率、工作穩(wěn)定性等角度去考慮，采用如 2-7 所示工作方式。安 全 性穩(wěn) 定 性電 機(jī) 過 載 保 護(hù)密 封 保 險(xiǎn)巡 回 防 遺 失防 側(cè) 翻 、 滑 落清 掃 檢 測電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 熔 斷 器濕 度 傳 感 器G P S 模 塊慣 性 模 塊攝 像 頭 視 頻 傳 輸圖 2-7 功能及傳感系統(tǒng)方案由于機(jī)器人工作與水下，其信號(hào)易受干擾，目前以后的水下機(jī)器人多采用帶線工作方式。此水下清掃船體機(jī)器人通過連接于機(jī)身的電纜供電，為保證其傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)行光耦隔離并對電路進(jìn)行保護(hù)處理。電機(jī)驅(qū)動(dòng)中采用熔斷器，防止負(fù)載過大對機(jī)體的影響，為保證機(jī)器人工作安全，在進(jìn)行密封改裝后在密封電路保護(hù)中設(shè)計(jì)有濕度傳感器，在檢測到泄漏時(shí)具有及時(shí)斷電保護(hù)功能。機(jī)器人在水下清掃時(shí)，為防止其發(fā)生側(cè)滑在機(jī)身中央設(shè)計(jì)有慣性模塊，具有三軸加速度、三軸陀螺儀功能，進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測預(yù)防其發(fā)生意外；另一方面，17其具有最后一道保險(xiǎn)即 GPS 巡回功能，在脫離船體后可以自動(dòng)定位并巡回，確保了工作的穩(wěn)定性。2.4 本章小結(jié)本章總結(jié)了目前已有的水下清掃船體機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，分析其優(yōu)點(diǎn)與不足之處，并針對其不足進(jìn)行改進(jìn)提出了四包圍履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)以及模塊化清掃機(jī)構(gòu)的概念，在設(shè)計(jì)中加入了模塊化理念與標(biāo)準(zhǔn)化理念。最后根據(jù)其實(shí)現(xiàn)功能，初步確定其電控思路。為下一步機(jī)械結(jié)構(gòu)與電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作打下基礎(chǔ)。18第三章 水下清掃船體機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)水下清掃船體機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到了整體的清掃質(zhì)量和清掃效率以及清掃能力。水下清掃船體機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)是個(gè)復(fù)雜的，要求很高的全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，其牢靠的質(zhì)量和穩(wěn)定的工作性能是最基本的保障，因此在設(shè)計(jì)時(shí)始終將穩(wěn)定性及其安全性等要素放在考慮的首要位置。3.1 水下清掃船體機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)分析3.1.1 水下清掃船體機(jī)器人總體要求在水下，主要考慮機(jī)器人受到的力有重力、浮力、機(jī)器人和船體表面的摩擦力、水動(dòng)力以及電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，因此，需要建立力學(xué)模型，通過分析機(jī)器人在靜止和動(dòng)態(tài)兩種情況下所需要的力及力矩的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而計(jì)算出單個(gè)永磁體所需的最小磁吸附力和驅(qū)動(dòng)履帶行走的步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)。對于移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)需要先分析其受力狀況，通過查閱資料設(shè)定其整體大致參數(shù)，如表 3-1 所示。表 3-1 水下清掃船體參數(shù)設(shè)定部件 質(zhì)量（kg） 數(shù)量（個(gè)） 總重（kg）履帶模塊 2.8 4 11.2內(nèi)部支架 2.3 1 2.3清掃機(jī)構(gòu) 0.9 4 3.6總計(jì) 17.1通過針對現(xiàn)有清掃船體機(jī)器人的分析，根據(jù)選用的材料進(jìn)行預(yù)估得知完成整體的制作，其質(zhì)量大約為 17.1KG。3.1.2 水下清掃船體機(jī)器人關(guān)鍵位姿受力分析圖 3-1 為清掃機(jī)特殊狀態(tài)靜態(tài)受力圖。其中，H 為清掃機(jī)器人重心高度；h 為重心與履帶中心線的垂直距離；A 為清掃機(jī)器人的傾覆支點(diǎn)； L 為 A 點(diǎn)與重心線的垂直距離；α 為清掃機(jī)器人傾斜角度；G 為清掃機(jī)器人的總重力（包括抗傾覆機(jī)構(gòu)）的一半與浮力之和；F 為該側(cè)與船壁吸附的磁體產(chǎn)生的總磁力； f 為履帶與壁面的最