吕长生[1]2006年在《水下船体表面清刷机器人工程样机的研究》文中指出本课题来源于黑龙江省科技攻关项目。本文主要完成水下船体表面清刷机器人的本体、清刷装置和控制系统设计，并对清刷机器人的位置检测方式进行研究。 论文对国内外水下清刷技术和爬壁机器人的发展现状及应用情况进行了介绍。根据水下船体表面的作业环境，提出永磁体吸附、双履带式结构的清刷机器人的本体方案。研究设计了清刷机器人磁吸附单元、传动链和清刷装置；设计了船体表面清刷机器人驱动方式，并选取伺服电机；完成了船体表面清刷机器人的总体设计。 进行了水下船体清刷机器人进行虚拟装配；建立了清刷装置的运动方程并进行了运动仿真。通过清刷机器人虚拟装配，为进行机器人零部件的设计加工提供可靠性分析，从而降低研制费用和缩短设计周期，并为清刷机器人的成功研制提供了最有利的保证。 设计了基于AT89C51的上下位机二级控制系统。依靠下位机实现预定的控制功能，设计了清刷电机控制电路、伺服电机控制接口电路、串口通讯电路和数据采集电路，并安装在机器人本体上；上位机主要进行键盘扫描和数码显示设计，不同的键值对应下位机的相应的控制命令，通过串口通信来控制清刷机器人的动作，机器人的工作状态由数码管显示；并设计了基于C语言的上下位机的控制软件。 建立了水下船体表面清刷机器人位置检测的数学模型，水上环境采用超声波测距方式和水下采用超短基线声学定位方式，通过浮体为中介利用齐次坐标变换原理建立当前坐标系的位姿变化矩阵，得到机器人相对于被清刷船具体叁维空间坐标，整个分析过程为机器人的位置检测提供了理论基础。 最后介绍了清刷机器人的性能实验情况。实验结果表明，研制的船体表面清刷机器人样机具有负重能力强、移动平稳、速度可调和纠偏能力强等特点，各项性能指标达到了设计要求。
王峰[2]2003年在《水下船体表面清刷机器人磁吸附驱动装置的研究》文中研究指明本课题是黑龙江省归国留学人员基金项目。本文主要完成水下船体表面清刷机器人的本体设计和原理样机的研制。并对控制系统进行了初步的设计。 本文在阐述了国内外壁面爬行机器人发展的状况后。根据工作的环境与特点选择了双履带、永磁铁吸附方式的总体结构。 水下船体表面清刷机器人本体的研制，主要难点有磁吸附结构的设计、本体结构的设计和驱动方式的选择。其中，磁吸附结构的设计和本体结构的设计是比较困难的。 本体结构设计时则充分考虑减轻重量、简化结构。传动机构选用了链传动。 驱动方式根据实际情况选择了交流伺服电机。 水下船体表面清刷机器人的力分析是磁路系统设计和驱动结构设计的基础。本文对静态和动态两种状态进行了分析。 磁吸附结构的设计主要内容有磁路的设计、封装和连接结构的设计。在本文中，我们选择了甲型磁路。从防腐、减轻冲击和增大摩擦力的方面考虑，选用橡胶封装。连接结构采用了将链节外板更换取代，加以连结的结构。 机器人在海水中工作，防腐和密封时必须考虑的。因此，在本文中专门对此进行了研究。 水下船体表面清刷机器人采用了两层控制系统，上层处理机器人管理和路径规划，下层用于机器人的姿态和运动控制。 最后，介绍了水下船体表面清刷机器人的性能试验情况。试验结果表明，哈尔滨仁程人学硕十学位论文研制的船体表面清刷机器人，各项性能指标达到了设计要求。
安永东[3]2007年在《水下船体表面清刷机器人检测系统研究》文中进行了进一步梳理本文主要完成了基于LabVIEW的水下船体表面清刷机器人检测系统的设计研究，包括检测系统硬件设计和选择，软件系统设计，并通过虚拟实验对检测系统的性能进行了分析研究。论文对国内外水下清刷技术和爬壁机器人的发展现状及应用情况进行了介绍。根据水下船体表面清刷的工作环境，提出了机器人检测系统的总体方案，结合清刷机器人具体工作要求，对检测系统进行了具体设计。包括检测系统的总体设计，定位系统、越障系统和安全检测系统叁个子系统的具体设计。针对船体表面清刷机器人的结构特点和特定的工作环境，对其检测系统的硬件进行了具体的设计选型。从整个检测系统的总体硬件组成到具体传感器的选择、接口电路的设计。对船体表面清刷机器人的检测系统进行全面的设计。所设计的机器人检测系统具有体积小、精度高、性能可靠、重量轻等优点，能满足船体表面清刷机器人在水下正常工作的要求。对数据采集卡的安装和配置做了详细说明，进行了具体了具体标定和配置。对采集卡进行初步测试，检查其是否能正常工作。设计了船体表面清刷机器人的检测系统总体程序界面，其中包括叁个子系统界面，通过具体的界面可以显示每个子系统的检测参数，并以数字和指针的形式实时显示出来。对清刷机器人检测系统的各子系统进行了虚拟实验，仿真信号输入，经过检测系统的信号分析和处理，得到相应的结果。实验结果表明船体表面清刷机器人检测系统性能优越，运行灵活，报警及时可靠，开发成本低。
王博[4]2016年在《船体空化水射流清刷机器人设计与清洗效率研究》文中认为目前,国内大型船舶清刷方式仍然采用传统干船坞清刷,其方式为船舶表面生长大量海洋生物后,通过机械拖拽至陆地利用大量人力进行清刷,清刷成本高、周期长。船舶无法长期保持船体流线形,增加了燃油消耗、降低了航行速度。而国际发达国家已较多的采用清刷机器人进行清刷作业,但其售价高昂、购买困难、售后不便,因此并不适用于国内船舶清刷行业。空化水射流技术利用流体在压力变化中产生的空化泡破裂时所释放的能量,能够高效、环保、低成本的进行清刷作业,因此非常适用于船舶表面清刷。设计一款应用空化水射流技术的清刷机器人,能够减少国内船舶运输成本、降低温室气体排放与减轻船舶清刷劳动强度,因此非常具有实用价值。本文首先对国内外清刷机器人研究现状与空化水射流发展过程进行了介绍与分析,并根据其作业环境设计了主要结构,包括运动结构、清刷结构、吸附结构与其他辅助结构。合理设计布置了结构之间的位置关系降低了清刷机器人本体的质量与体积。其次,应用ANSYS Workbench的Static Structural与Fluid Flow(Fluent)功能对所设计水密盒与清刷机器人整体外壳分别进行了静力学强度分析与外流场分析,通过总结分析数据减少了水密盒的集中应力与外壳的流体阻力。之后,介绍了控制系统总体框架与软、硬件设计。说明了控制系统的通讯协议设计、运动控制设计、信息采集设计与控制系统软件实现流程图。最后,研究了空化水射流的船舶表面清洗效率。借鉴前人研究结果,以空化产生机理、空化清刷机理、与空化喷头设计经验为基础,应用Fluid Flow(CFX)分析软件,设计了清刷机器人空化喷头,并通过对主要参数的优化使其清刷效率达到最优。设计了清刷靶距试验,确定了清洗盘底部与船舶表面的最优间隙。通过对螺旋线清刷轨迹与单次清刷宽度的分析得出了清刷装置的最高清刷速率。为验证船体空化水射流清刷机器人的清刷能力与稳定性,设计了实船清刷实验。通过对比清刷前后船舶表面情况,得到了清刷机器人清刷能力达到HPW2级的结论。
金海涛[5]2003年在《水下船体表面清刷机器人控制系统的研究》文中指出壁面移动机器人属特种作业机器人，在核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域均有广泛的应用，自二十世纪六十年代出现以来，一直受到世界各国的关注。本文研制的水下船体表面清刷机器人是壁面移动机器人的一种类型，是结合黑龙江省归国人员基金项目开展的，具有广阔的应用前景。 论文首先介绍了水下清刷作业和壁面移动机器人的国内外发展现状和应用情况，提出了采用双履带、永磁吸附式的水下船体表面清刷机器人本体结构方案。建立了机器人在船体表面静止、运动和加抗倾机构情况下的力学模型，进行了力学分析；同时还对机器人进行运动学分析，建立运动学方程。 进行了清刷机器人的伺服电机驱动与控制电路、清刷电机驱动与控制电路、串行通讯电路、倾角传感器数据采集等硬件电路的设计，并进行了基于PL／M高级单片机开发语言的下位机嵌入式控制软件的开发和基于VC++6.0的上位机用户操作界面的开发。 为了保证清刷机器人在复杂、恶劣的工作环境下对姿态控制的要求，本文提出了一种基于模糊控制规则切换的P-FUZZY-PID控制器，保证了机器人具有良好的姿态调节能力。 论文最后介绍了清刷机器人的性能试验情况。试验结果表明，研制的船体表面清刷机器人具有负重能力强、移动平稳、速度可调、以及抗倾覆和纠偏能力强等特点，各项性能指标达到了设计要求。 水下船体表面清刷机器人的研制为壁面移动机器人开辟了一个新的应用领域。
王丽慧[6]2002年在《水下船体表面清刷机器人及相关技术研究》文中进行了进一步梳理壁面移动机器人属特种作业机器人，在核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域均有广泛的应用，自二十世纪六十年代出现以来，一直受到世界各国的关注。本文研制的水下船体表面清刷机器人是壁面移动机器人的一种类型，是结合黑龙江省归国人员基金项目开展的，具有广阔的应用前景。 论文系统综述了水下清刷技术和壁面移动机器人技术的发展，成功研制了水下船体表面清刷机器人原理样机。针对水下作业环境的特点，对机器人的本体结构、磁路结构、控制系统和清刷作业装置等关键技术进行了系统的研究。 论文首先介绍了壁面移动机器人的分类和特点，总结了水下清刷作业和壁面移动机器人的国内外发展现状和应用情况，提出了采用双履带、永磁吸附式的水下船体表面清刷机器人本体结构方案。 研究设计了机器人的吸附机构、驱动机构、传动机构和抗倾机构。针对机器人在水下作业的特点，分析了有波浪作用时机器人在船体表面的运动，建立了机器人在船体表面静止和运动两种状态下的力学模型。通过模型仿真，确定了单个磁块所需的最小吸附力和交流伺服马达的驱动力矩等参数。 磁路结构的设计是保证机器人在船体表面可靠吸附的关键技术。论文根据力学分析确定的磁吸附力的大小，选取了具有高矫顽力的钕铁硼稀土永磁材料，确定了磁路类型，分析了动态磁路的间隙变化与磁吸附力大小之间的关系。采用氯丁胶硫化工艺，对磁路系统进行了全封闭的封装，克服了永磁材料性脆的缺点，增强了磁路的耐海水腐蚀性，保证了机器人安全、平稳地运行。 通过分析机器人在船体表面清刷作业的运动轨迹，建立了机器人的运动学模型。选用高精度的电子倾角传感器，实现了机器人姿态的闭环控制。针对清刷机器人水下作业的非线性特点，采用参数自调整模糊控制策略设计了位置模糊控制器，保证了机器人具有良好的姿态调节能力。仿真和试验结果表明，设计的控制器可以满足机器人的控制要求。 研究设计了机器人携带的作业工具即水下清刷作业装置。该装置由电容 哈尔滨工程大学博士学位论文起动异步电动机驱动，通过带传动，带动钢丝刷旋转来完成对船体表面的清刷作业。分析了刷盘尺寸和刷具转速分别与海水粘滞阻力矩、摩擦阻力矩。惯性阻力矩的关系，建立了基于水下旋转运动的清洗刷具的力学模型。 论文最后介绍了清刷机器人的性能试验情况。试验结果表明，研制的船体表面清刷机器人具有负重能力强、移动平稳、速度可调、以及抗倾覆和纠偏能力强等特点，各项性能指标达到了设计要求。 水下船体表面清刷机器人的研制为壁面移动机器人开辟了一个新的应用领域。
金东杰[7]2007年在《水下船体清刷机器人控制系统及路径规划研究》文中研究表明本课题来源于黑龙江省十五重点科技攻关项目。本文简要介绍了水下船体清刷机器人的本体结构，主要完成了清刷机器人的控制系统设计和路径规划的研究，并进行了清刷机器人的性能实验。论文首先介绍了国内外船体清刷技术和爬壁机器人的发展现状及应用，并介绍了几种典型的爬壁机器人。根据水下船体表面的作业环境，提出永磁体吸附、双履带式结构的清刷机器人的本体方案。研究设计了清刷机器人磁吸附单元、传动链和清刷装置；设计了船体表面清刷机器人驱动方式，并选取伺服电机；完成了船体表面清刷机器人的总体设计。论文对水下机器人的清刷电机进行了选择，并在建立了该电动机的数学模型的基础上，采用直接转矩控制的伺服控制方式，应用MATLAB7．0．1对清刷电机进行了仿真设计。设计了基于AT89C51的上下位机二级控制系统。依靠下位机实现预定的控制功能，设计了交流伺服电机控制接口电路、清刷电机控制电路、通信接口和系统电源解决方案，并安装在机器人本体上；上位机主要进行键盘扫描和数码显示设计，通过串口通信来控制清刷机器人的动作，并设计了基于C语言的上下位机的控制软件。提出了水下清刷机器人的工作性能评价，并针对清刷机器人的性能评价对机器人提出了基于神经网络的路径规划算法。最后介绍了清刷机器人的性能实验。实验结果表明机器人样机的各项性能指标达到了项目任务书的要求，具有以下特色：机器人在船体表面可分高、中、低叁种速度运行，而且移动平稳，移动速度满足2～8m／min的要求；采用永磁吸附和履带移动的本体结构，以及水下的作业环境，确保了机器人的负重能力；机器人在壁面可安全越过高度不超过20mm的障碍；机器人水密性强，可满足水深20m以浅的作业要求；机器人具有一定的工作能力，可携带刷具对船体表面进行清刷，而且清刷效果良好。水下船体表面清刷机器人的研制提高了清刷效率和清刷的自动化水平，减小了人工劳动强度，减少了污染，为壁面爬行机器人开辟了一个新的应用领域，具有较好的经济效益和社会效益。
陈贤雷[8]2013年在《履带式爬壁机器人的设计及其在船舶检测中的应用研究》文中研究说明船舶工业是为海洋开发、水上交通及国防建设提供技术装备的现代综合性产业,是先进装备制造业的重要组成部分,我国船舶工业高速发展的同时船舶检测技术也在全面提升,船舶检测是保证船舶产业实施战略转型,提高地区船舶产业核心市场竞争力的需要。爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人,它作为高空极限作业的一种自动机械装置,在各行业开始广泛研究应用。本文综合研究分析引入“履带式爬壁机器人”的理念,提出了一种基于履带式测量机器人的检测方法,将其用于船舶检测领域,代替人工在高空场所、狭小空间或危险的环境进行船体的常规检测工作,通过遥控器控制机器人自由移动,实现测量方法的全方位改进,提高船舶检测效率。首先,是履带式爬壁机器人总体设计；其次,是机器人船舶检测系统设计；最后,加工出本爬壁机器人样机,通过试验验证其有效性和实用性。爬壁机器人上安装的船舶类检测设备可以多样化,包括安装测厚仪进行船体厚度的测量、安装超声波或红外等无损探伤设备对船体表面的泄露、裂纹等进行检测、安装船体表面清洁器用于清理钢板表面的铁锈,另外可以在前端安装高清相机等通过数据传输至控制室,实现船体的实时控制及在线检测。履带式爬壁机器人是对传统检测方法的提高与改进,其在壁面爬行速度范围宽,且移动平稳,移动速度最大可达到7m/min,采用的永磁吸附和履带移动的本体结构,保证其30N以上的负重能力。另外,其抗倾覆机构的设计可确保安全跨越障碍高度不低于10mm。该爬壁机器人将大大提升船舶检测的效率,同时能够避免人工繁重劳动并且在恶劣的环境中从事作业,将促进船舶检测技术的进步,有着重大的经济效益和社会效益。
王志永[9]2016年在《风力发电机塔身清刷机器人结构设计及其吸附性能研究》文中研究指明在目前已知的能源中,风能因具有清洁环保、资源总量丰富等众多优点而被广泛应用。高效地利用风能可以降低能源危机的威胁、减少生活中碳排放、缓解温室效应。风力发电机作为风力发电的主要承载形式,它的维护和保养至关重要,但目前对于风力发电机塔筒的清洁维护还是主要由人工完成,这样的作业方法效率低下、工作强度大,人工作业方式被淘汰已经成为历史必然。本文旨在研究一种能够在风力发电机塔筒上进行清刷作业的爬壁机器人,主要对清刷机器人进行结构设计、力学分析,及吸附性能研究,并制作机器人底盘原理样机,对文中所讨论的机器人吸附性能、运动能力等关键问题进行了试验研究,验证其正确性。为了研究适用于风力发电机塔身清刷的爬壁机器人,首先结合机器人的工作环境和对吸附性能的要求,对清刷机器人的行走方式、吸附方式、清刷方案、悬架方案进行了概述,根据不同结构方案的优缺点,提出了适用于风力发电机塔筒清刷的具体实施方案。在介绍清刷机器人总体方案后,设计出整体结构,包含底盘机构、吸附机构、磁隙调节装置机构和清刷机构。其次,给出机器人稳定吸附的条件,分别对机器人相对塔筒壁面静止、直线行走以及原地转向叁种运动状态进行力学分析,求得机器人安全吸附的最小吸附力,并对机器人底盘进行拓扑优化,减少不必要的材料,减轻机器人总体质量。再次,通过电磁分析软件Ansoft Maxwell对机器人永磁吸附装置进行仿真分析,研究了吸附装置各参数对吸附力的影响,并基于高效率、轻量化的目标要求,对吸附装置的参数进行优化,并找出最终优化结果。最后,搭建机器人控制系统,制作机器人移动底盘原理样机,逐步测试机器人移动底盘的各项性能。测试试验包括吸附力测试、壁面行走能力测试、转向灵活性测试、纠编能力测试几部分。通过对这些测试,研究机器人的各项性能,验证前面章节理论分析以及磁吸附仿真数据的准确性,为清刷机器人后期的改进提供了技术基础和理论依据。
杨保强[10]2015年在《壁面跨越磁吸附爬壁机器人机械系统设计及典型工况力学特性分析》文中指出为使爬壁机器人能在存在阶梯、交叉壁面以及曲面等钢质壁面环境中连续行走,本文提出了一种基于轮式移动机构的磁吸附壁面跨越爬壁机器人实现方案,它由结构对称的左右两车体通过自适应结构联接而成,包含主体支架、一对驱动磁轮、一对从动磁轮和四个辅助磁轮等结构。结合壁面跨越实现原理与过程的分析,确定了爬壁机器人的磁吸附方式、轮式移动方式、电机驱动方式和系统主要参数,详细设计了机器人的机械系统结构。提出了一种通过改变磁块排列方式来调节磁吸附力大小的永磁车轮实现方案,以及保证任意位姿状态下均能有四个磁轮与壁面接触的连接左右两侧车体的自适应结构。基于Halbach永磁阵列原理,分析了永磁阵列中磁块不同排列方式对磁场的影响,详细设计了磁力可调永磁车轮的具体结构,并对永磁车轮的结构进行了优化,使其在满足磁吸附力要求的同时实现结构的轻量化。模拟分析了磁轮旋转一周过程中磁吸附力的变化规律,以及车轮与壁面间间隙大小对磁吸附力的影响关系。针对爬壁机器人在竖直面、天花板以及跨越交叉壁面等行走工况,通过对爬壁机器人各关键姿态和交叉壁面跨越过程的力学分析,得出了实现爬壁机器人正常工作的磁吸附力要求,以及电机驱动力矩的变化规律。基于四轮滑动转向理论,分析并获得了转向过程中磁轮与壁面间相对滑动情况和作用于磁轮上阻力矩的变化情况。由此为爬壁机器人控制系统的设计提供了依据。
参考文献：
[1]. 水下船体表面清刷机器人工程样机的研究[D]. 吕长生. 哈尔滨工程大学. 2006
[2]. 水下船体表面清刷机器人磁吸附驱动装置的研究[D]. 王峰. 哈尔滨工程大学. 2003
[3]. 水下船体表面清刷机器人检测系统研究[D]. 安永东. 哈尔滨工程大学. 2007
[4]. 船体空化水射流清刷机器人设计与清洗效率研究[D]. 王博. 哈尔滨工程大学. 2016
[5]. 水下船体表面清刷机器人控制系统的研究[D]. 金海涛. 哈尔滨工程大学. 2003
[6]. 水下船体表面清刷机器人及相关技术研究[D]. 王丽慧. 哈尔滨工程大学. 2002
[7]. 水下船体清刷机器人控制系统及路径规划研究[D]. 金东杰. 哈尔滨工程大学. 2007
[8]. 履带式爬壁机器人的设计及其在船舶检测中的应用研究[D]. 陈贤雷. 浙江大学. 2013
[9]. 风力发电机塔身清刷机器人结构设计及其吸附性能研究[D]. 王志永. 哈尔滨工程大学. 2016
[10]. 壁面跨越磁吸附爬壁机器人机械系统设计及典型工况力学特性分析[D]. 杨保强. 东南大学. 2015