畢業(yè)設計（論文）中期檢查表學生姓名 班級學號 指導教師 畢業(yè)設計（論文）題目 水下船體清掃機器人設計與實現(xiàn)畢業(yè)設計的主要工作內(nèi)容和計劃進度(由學生填寫)主要任務：1、繪制機器人整體三維模型并完成相關(guān)設計選型；2、機械加工并裝配移動機構(gòu)和清掃機構(gòu)；3、電控系統(tǒng)設計及程序編寫。計劃進度：2015.12-2016.02 完成整體計算及三維模型創(chuàng)建2016.02-2016.04 測試履帶行進機構(gòu)的吸附力和驅(qū)動扭矩2016.04-2016.05 完成行進機構(gòu)的制作和清掃機構(gòu)的測試2016.05 上半旬 完成電控系統(tǒng)組裝和調(diào)試 目前已完成工作情況(由學生填寫)1、已完成履帶行進機構(gòu)樣機的測試2、已完成電控系統(tǒng)設計和組裝3、在測試清掃機構(gòu)的性能已完成初期制作4、已完成畢業(yè)論文前部分任務存在的主要問題和解決方案(由學生填寫)1、履帶行進機構(gòu)負載能力不足，目前需要提高電機扭矩；2、整體機器較為笨重，需要對結(jié)構(gòu)進行精簡；3、履帶與壁面摩擦力較弱，在查詢相關(guān)資料，進一步提高其摩擦力；4、整體機器功率較大，供電系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，需要進一步完善。指導教師對學生工作態(tài)度評價 □認真 □較認真 □一般 □差 指導教師對學生完成工作質(zhì)量評價 □優(yōu) □良 □中 □一般 □差指導教師意見和建議 指導教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）任務書學院名稱： 機電與汽車工程學院 專 業(yè)： 機制 學生姓名：指導教師： 畢業(yè)設計（論文）題目：水下船體清掃機器人設計與實現(xiàn)1.課程性質(zhì)（請在相應的選項上打勾）□縱向課題□已簽約的橫向課題√未簽約的橫向課題□實驗室建設課題□模擬性課題□學生自選人文課題2.課題類型（請在相應的選項上打勾）√工程設計（實踐）□理論研究□實驗研究□計算機軟件設計□綜合 一、畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、達到的指標和應做的實驗等）主要設計內(nèi)容：伴隨著海洋經(jīng)濟發(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。但由于長時間在海洋中航行，導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導致輪船在行駛過程中阻力增大，增加輪船在行駛時的油耗，也污染了環(huán)境。因此必須對藤壺等小型水生物進行處理。目前為了清掃船體表面分為化學方法和物理方法，而化學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致海水被污染，并且當材料溶解完全時，藤壺等水生物又會吸附在船體表面。而物理方法則為通過一些清掃機構(gòu)在船體表面進行船體表面的清掃，以達到船體表面的清掃作用。而通過清掃機構(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行清掃，另一種則是通過自動清掃機構(gòu)進行清掃，人工進行船體表面清掃效率不高，而且成本比較高，而自動清掃機構(gòu)則可以提高工作效率，并且清掃的成本會非常低。本設計就是根據(jù)這一工程應用需要，設計水下船體清掃機器人，并對其進行優(yōu)化實現(xiàn)。主要設計內(nèi)容：2 主要完成內(nèi)容（包括應做的實驗）1）收集整理目前現(xiàn)有水下船體清掃機器人的有關(guān)資料；2）討論水下船體清掃機器人系統(tǒng)的組成，確定其機械結(jié)構(gòu)及電控系統(tǒng)形式；3）水下船體清掃機器人三維造型及有限元分析，并對各部件進行優(yōu)化；4）水下船體清掃機器人二維圖紙繪制；5）水下船體清掃機器人制作實現(xiàn)?；驹O計思路：1）通過查閱資料了解水下船體清掃機器人的研究現(xiàn)狀；2）對水下船體清掃機器人的形式進行分析比較；3）水下船體清掃機器人結(jié)構(gòu)三維造型及有限元分析，并對各部件進行優(yōu)化；4）水下船體清掃機器人二維圖紙繪制；5）水下船體清掃機器人制作實現(xiàn)。二、完成后應交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）1． 畢業(yè)設計論文一份（不少于 1.5 萬字） ； 2． 外文譯文一篇（中文不少于 3000 字） ；3. 一套完整的設計圖；4. 樣機一套。三、完成日期及進度自 2016 年 2 月 22 日起至 2016 年 6 月 5 日,共 15 周。 進度安排： 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 樣機制作 5.21~5.29 設計說明書 6.3 日之前 必須提交論文 6.4 答辯四、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)．水下船體清刷機器人關(guān)鍵技術(shù)及其試驗的研究[J]．機械設計與研究，2008，1：537-540．[2]任夢鴻.水下船體表面清刷機器人復合吸附方法的研究[D].哈爾濱工程大學碩士學位論文，哈爾濱，2009[3]竇京.帶纜遙控水下機器人總體設計及流體動力特性研究[D].江蘇科技大學碩士學位論文，鎮(zhèn)江，2014[4]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT 流體工程仿真計算實例與應用介紹[M].北京：北京理工大學出版社，2004：1-365 [5]王瑞金，張凱， 王剛.Fluent 技術(shù)基礎與應用實例[M]. 北京：清華大學出版社， 2007：100-321[6]張宏，李志剛，趙宏林等.深水海底管道鋪管設備技術(shù)現(xiàn)狀與國產(chǎn)化設想[J].石油機械，2008，36（9）：201-204[7]程耿東．關(guān)于桁架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中得奇異最優(yōu)解[J]．大連理工大學學報，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)及其應用實例[M]．北京：中國水利水電出版社，2004：149-154．[9] 葉先磊，史亞杰．ANSYS 工程分析軟件應用實例[M]．北京：清華大學出版社，2003：171-196．[10]基于 MATLAB 的盤式制動器優(yōu)化設計[J]. 機械工程及自動化. 2007，6(12)：158-161.[11]尚曉江，邱峰，趙海峰．ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應用[M]．北京：中國水利水電出版社，2008：330-348．[12]王國強．機械優(yōu)化設計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009：2-8．系(教研室) 主任： （簽章） 年 月 日學院主管（系）領導： （簽章） 年 月 日畢業(yè)設計（論文）開題報告概述表學生姓名 班級學 號 指導教師畢業(yè)設計(論文)題目 水下船體清掃機器人機械結(jié)構(gòu)設計選題的目的和意義隨著目前生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，造船事業(yè)也在不斷地進步，然而再好再大的船在行駛中始終都面臨著一個共同的問題，那就是長期浸泡在水中的船舶，其表面都很容易就會被海蠣及藻類貝殼等東西糾纏，并在船體上飛速生長，嚴重影響船舶的行駛成本和效率。藤壺附著在艦船的底部，會大大降低航速，全世界每年燃料消耗要增加 26％以上，甚至達 40％，全世界每年需花大量人力清除藤壺，進行頻繁的周期性維護，耗資巨大，每年達上百億美元。而對于這個問題，人們長期以來一直都在想方設法的解決。目前市場上船體表面清掃主要分為塢內(nèi)清掃和水下清掃兩類，但仍存在諸多缺點。（1）船舶停止航行，進入船塢內(nèi)進行，將造成經(jīng)濟上的巨大損失，以及在來去船塢的時間上的浪費；（2）水下清掃人工清需要人潛水到船底進行作業(yè)，受水下環(huán)境影響，效率并不高，而且還存在安全隱患；（3）另一方面，目前已有的水下清掃機構(gòu)對于一些頑固的貝類和較長難以清掃的藻類植物不能很好的清掃，有的甚至還會損傷船體。與傳統(tǒng)水下清掃船體機器人相比，主要有如下優(yōu)點： （1）清掃機構(gòu)上設計了柔性刀具模塊，在遇到硬度較大的焊縫處，可以自動規(guī)避，刀具硬度為 30HRC，于船體和藤壺等船體附著物之間，避免了對船體的傷害；（2）柔性刀具采用模塊化設計，便于更換和維護，降低了成本；（3）清掃機構(gòu)整體采用模塊化設計，可以根據(jù)需要多個級聯(lián)，大大提高了工作效率和工作質(zhì)量；（4）水下機器人移動機構(gòu)采用全方位履帶式結(jié)構(gòu)，每個履帶節(jié)在底部安裝有磁性滾珠，在增大了整體吸附力的同時可以全方位移動，客服了以往履帶差速轉(zhuǎn)向的不足；（5）履帶模塊內(nèi)部具有柔性自適應結(jié)構(gòu)，保證了履帶節(jié)附著于船體，提高了其工作穩(wěn)定性和安全性。鑒于上述優(yōu)勢,克服現(xiàn)有水下船體清掃機器人的不足，針對清掃機構(gòu)在清掃船體時，為避免與焊縫等船體凸出部分的撞擊問題，同時提高了其工作效率。該清掃機構(gòu)的制造和技術(shù)要求都不高，對船體表面的清掃設備的開發(fā)有很大的作用，對我國海洋戰(zhàn)略有很大的意義。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題近十年來，水下清掃船體機器人引起國外許多研究機構(gòu)和研究者的極大關(guān)注，各種基于不同目的、不同設計方案和控制策略的水下清掃船體機器人相繼誕生。哈爾濱工業(yè)大學機電學院教師陳東良、航建學院教師陳巖研制了基于 TRIZ 理論的水下船體清刷機器人人。該機器是典型的機電液一體化的裝備。該機器人采用復合吸附方式；配備藤壺刷和海藻刷，用來清刷輕度、重度污損物，避免了噴丸等傳統(tǒng)清刷技術(shù)帶來的環(huán)境污染問題；前部加裝有探照燈、攝像頭等輔助裝置，用以實時監(jiān)控機器人的工作狀態(tài)。但其工作效率和清掃質(zhì)量低，在清掃時仍對船體有一定損傷且清掃藤壺等強力附著物時力度不足，實際應用中仍無法普及。主要研究內(nèi)容基于對水下船體清掃機器人研究現(xiàn)狀的總結(jié)，本文設計一款新式水下船體清掃機器人。它具有船體清掃自適應能力，在行進過程中能夠保持清掃刷全方位清掃船體，消除死角并能躲開焊縫等船體凸出結(jié)構(gòu)避免對船體的傷害。主要研究內(nèi)容包括以下部分：1. 水下船體清掃機器人的機械結(jié)構(gòu)設計。包括船體吸附履帶行進機構(gòu)設計，船體自適應清掃刷盤。2. 水下船體清掃機器人的設計關(guān)鍵點在于，船體吸附力的校核。開創(chuàng)性的提出全方位包裹式吸附履帶結(jié)構(gòu)，并針對于關(guān)鍵部件進行有限元分析，并給出相關(guān)優(yōu)化建議，使機器人能夠在各種環(huán)境下吸附船體，并運動靈活。3. 針對船體清掃機器人的自適應清掃刷盤，使用柔性結(jié)構(gòu)，對于藤壺等附著生物進行去處，對于焊縫等船體部分進行有效規(guī)避。清掃刷采用復合結(jié)構(gòu)設計，并清掃刀進行有限元分析，進行優(yōu)化。研究方法、步驟和措施等擬研究方法及主要措施1. 首先收集國內(nèi)外水下清掃船體機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，收集相關(guān)資料，了解其技術(shù)要求；2. 收集水下清掃船體機器人結(jié)構(gòu)的資料，總結(jié)前人經(jīng)驗、找出當前機器人的缺點同時克服當前的缺點，根據(jù)技術(shù)要求、功能要求設計結(jié)構(gòu)模型并通過 Solid Works 初步建立三維模型；3.通過 Solid Works Simulation 對部分重要結(jié)構(gòu)進行有限元的驗證并根據(jù)結(jié)果作出相應的改進；4.根據(jù)需要使用 Altium Designer 設計并制作電路；5.運用 ArtCam 加工機器人零件，并組裝；6.裝配，編寫程序并調(diào)試，完成樣機的制作。初步設計確定初步方案查閱資料及文獻 制圖和電路設計技術(shù)線路圖指導教師意見指導教師簽字： 裝配產(chǎn)品樣機并調(diào)試最終方案并加工制作 整合優(yōu)化年 月 日注：如頁面不夠可加附頁水下清掃船體機器人結(jié)構(gòu)設計與實現(xiàn),學 生：,指導老師：,學科專業(yè)：機械設計制造及其自動化,本科生畢業(yè)設計中期答辯報告,,目錄,,,,5、預期效果,4、后期工作任務及進度安排,3、目前進度及難點,2、研究內(nèi)容及目標,1、選題背景及存在的主要問題,江蘇科技大學（張家港）本科生畢業(yè)設計中期答辯報告,選題背景及存在的主要問題,一旦一艘船舶粘附上藻類或藤壺，其速度會減少10%，而耗油量會上升40%。全球船舶業(yè)每年為此需耗資近一百億美元。,江蘇科技大學（張家港）本科生畢業(yè)設計中期答辯報告,目前已有的清掃方式,目前，進船塢清掃耗資巨大。人工水下清掃效率低，危險系數(shù)大。 已有的清掃船體機器人，只能清掃藻類等容易去除的附著物。,江蘇科技大學（張家港）本科生畢業(yè)設計中期答辯報告,研究內(nèi)容及目標,,1,2,2,4,,,,清掃機構(gòu),在船面上穩(wěn)固吸附運動靈活,清掃藤壺等硬物時不傷害到船體,清掃藻類同時可以清除頑固附著物,有一定負載能力，可靠性高,移動機構(gòu),3,4,難點與目標,江蘇科技大學（張家港）本科生畢業(yè)設計中期答辯報告,目前進度及難點,江蘇科技大學（張家港）本科生畢業(yè)設計中期答辯報告,江蘇科技大學（張家港）本科生畢業(yè)設計中期答辯報告,,江蘇科技大學（張家港）本科生畢業(yè)設計中期答辯報告,江蘇科技大學（張家港）本科生畢業(yè)設計中期答辯報告,,后期任務及進度安排,加工并完善清掃盤 提高密封性能，并進行實驗 履帶機構(gòu)中完善其張緊裝置并提高其負載能力 完善電路設計，并測試性能,江蘇科技大學（張家港）本科生畢業(yè)設計中期答辯報告,感謝各位導師提出寶貴意見！,江蘇科技大學（張家港）本科生畢業(yè)設計中期答辯報告,本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）學 院 專 業(yè) 學生姓名 班級學號 指導教師 I水下船體清掃機器人設計與實現(xiàn)Design and realization of underwater cleaning robot II江 蘇 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）任務書學院名稱： 機電與汽車工程學院 專 業(yè)： 學生姓名：指導教師： III畢業(yè)設計（論文）題目：水下船體清掃機器人設計與實現(xiàn)1.課程性質(zhì)（請在相應的選項上打勾）□縱向課題□已簽約的橫向課題√未簽約的橫向課題□實驗室建設課題□模擬性課題□學生自選人文課題2.課題類型（請在相應的選項上打勾）√工程設計（實踐）□理論研究□實驗研究□計算機軟件設計□綜合 一、畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、達到的指標和應做的實驗等）主要設計內(nèi)容：伴隨著海洋經(jīng)濟發(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。但由于長時間在海洋中航行，導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導致輪船在行駛過程中阻力增大，增加輪船在行駛時的油耗，也污染了環(huán)境。因此必須對藤壺等小型水生物進行處理。目前為了清掃船體表面分為化學方法和物理方法，而化學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致海水被污染，并且當材料溶解完全時，藤壺等水生物又會吸附在船體表面。而物理方法則為通過一些清掃機構(gòu)在船體表面進行船體表面的清掃，以達到船體表面的清掃作用。而通過清掃機構(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行清掃，另一種則是通過自動清掃機構(gòu)進行清掃，人工進行船體表面清掃效率不高，而且成本比較高，而自動清掃機構(gòu)則可以提高工作效率，并且清掃的成本會非常低。本設計就是根據(jù)這一工IV程應用需要，設計水下船體清掃機器人，并對其進行優(yōu)化實現(xiàn)。主要設計內(nèi)容：2 主要完成內(nèi)容（包括應做的實驗）1）收集整理目前現(xiàn)有水下船體清掃機器人的有關(guān)資料；2）討論水下船體清掃機器人系統(tǒng)的組成，確定其機械結(jié)構(gòu)及電控系統(tǒng)形式；3）水下船體清掃機器人三維造型及有限元分析，并對各部件進行優(yōu)化；4）水下船體清掃機器人二維圖紙繪制；5）水下船體清掃機器人制作實現(xiàn)?；驹O計思路：1）通過查閱資料了解水下船體清掃機器人的研究現(xiàn)狀；2）對水下船體清掃機器人的形式進行分析比較；3）水下船體清掃機器人結(jié)構(gòu)三維造型及有限元分析，并對各部件進行優(yōu)化；4）水下船體清掃機器人二維圖紙繪制；5）水下船體清掃機器人制作實現(xiàn)。二、完成后應交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）1． 畢業(yè)設計論文一份（不少于 1.5 萬字）； 2． 外文譯文一篇（中文不少于 3000 字）；3. 一套完整的設計圖；V4. 樣機一套。三、完成日期及進度自 2016 年 2 月 22 日起至 2016 年 6 月 5 日,共 15 周。 進度安排： 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 樣機制作 5.21~5.29 設計說明書 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)．水下船體清刷機器人關(guān)鍵技術(shù)及其試驗的研究[J]．機械設計與研究，2008，1：537-540．[2]任夢鴻.水下船體表面清刷機器人復合吸附方法的研究[D].哈爾濱工程大學碩士學位論文，哈爾濱，2009[3]竇京.帶纜遙控水下機器人總體設計及流體動力特性研究[D].江蘇科技大學碩士學位論文，鎮(zhèn)江，2014[4]韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT 流體工程仿真計算實例與應用介紹[M].北京：北京理工大學出版社，2004：1-365 [5]王瑞金，張凱， 王剛.Fluent 技術(shù)基礎與應用實例[M]. 北京：清華大學出版社， 2007：100-321[6]張宏，李志剛，趙宏林等.深水海底管道鋪管設備技術(shù)現(xiàn)狀與國產(chǎn)化設想[J].石油機械，2008，36（9）：201-204[7]程耿東．關(guān)于桁架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中得奇異最優(yōu)解[J]．大連理工大學學報，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)及其應用實例[M]．北京：中國水利水電出版社，2004：149-154．[9] 葉先磊，史亞杰．ANSYS 工程分析軟件應用實例[M]．北京：清華大學出版社，2003：171-196．[10]基于 MATLAB 的盤式制動器優(yōu)化設計[J]. 機械工程及自動化. 2007，6(12)：158-161.[11]尚曉江，邱峰，趙海峰．ANSYS 結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應用[M]．北京：中國水利水電出版社，2008：330-348．[12]王國強．機械優(yōu)化設計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009：2-8．系(教研室) 主任： （簽章） 年 月 日學院主管（系）領導： （簽章） 年 月 日VII摘 要近年來伴隨著海洋經(jīng)濟的飛速發(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。但由于長時間在海洋中航行，導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導致輪船在行駛過程中阻力增大，增加輪船在行駛時的油耗，同時也污染環(huán)境。因此對藤壺、海藻等船體附著物進行相關(guān)的清掃處理成為當務之急。水下機器人可實現(xiàn)短期階段性清掃，成本低廉，并可以在船航行時進行清掃，在航海業(yè)具有廣泛的應用前景。但目前已有的水下機器人存在效率低下，清掃質(zhì)量無法滿足市場需求，對于藤壺等強力附著物無法進行有效清掃。針對上述問題，本文在基于負壓吸附與強磁履帶模塊協(xié)調(diào)技術(shù)，設計了一種包圍式履帶移動平臺，此平臺通過四條履帶的吸附配合和移動配合方案確保機器人在船面全方位移動。在清掃機構(gòu)方面采用模塊化設計理念，針對附著物附著特點設計專業(yè)清掃模塊，通過模塊化接口組合實現(xiàn)分級清掃功能。最后，通過友好的人機界面和任務調(diào)度系統(tǒng)，將清掃質(zhì)量及效率參數(shù)實時反饋于監(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)工作需求提出相應的設計架構(gòu)，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方案與技術(shù)參數(shù)，設計了整體機械結(jié)構(gòu)原理模型。進而具體剖析了水下清掃船體機器人的機械結(jié)構(gòu)設計，計算其吸附力及吸附效果，分析型材及電機選型，標準件選用等。運用虛擬樣機模型技術(shù)，建立清掃船體機器人的虛擬樣機模型，同時針對關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行有限元分析校核其強度，為實物樣機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。其次，根據(jù)其功能需要設計電控系統(tǒng)，繪制電路原理圖，搭建控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)，整理系統(tǒng)框圖和實物框圖，完善其控制系統(tǒng)，并檢測其電控系統(tǒng)穩(wěn)定性。最后，測試其移動機構(gòu)的移動特性，對移動以及清掃進行穩(wěn)定性判斷，分析其移動特性及清掃特點，進一步保證了清掃船體機器人的工作安全性和可靠性，為水下清掃船體機器人的進一步研究打下了扎實的基礎。關(guān)鍵詞：清掃船體機器人；模塊化；全方位移動；虛擬樣機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 水下清掃船體機器人總體方案設計 .72.1 水下清掃船體機器人設計要求 .72.2 水下清掃船體機器人的機械系統(tǒng)方案 .92.2.1 機械系統(tǒng)的設計原則 .92.2.2 設計方法 .92.2.3 移動平臺方案設計 .112.2.4 清掃機構(gòu)方案設計 .142.3 水下 清掃船體機器人的電控系統(tǒng)方案 .152.3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的設計思路 .152.3.2 傳感系統(tǒng)的設計思路 .162.4 本章小結(jié) .16第三章 水下清掃船體機器人移動平臺設計 .183.1 水下清掃船體機器人移動平臺分析 .183.1.2 水下清掃船體機器人關(guān)鍵位姿受力分析 183.2 水下清掃 船體機器人移動平臺設計 .203.2.1 履帶吸附結(jié)構(gòu) .233.2.2 負載輪結(jié)構(gòu) .233.2.3 鏈輪傳動結(jié)構(gòu) .233.2.4 履帶張緊結(jié)構(gòu) .233.3 水下清掃船體機器人移動平臺整體搭建 .24XI3.4 本章小結(jié) .26第四章 水下清掃機器人的清掃系統(tǒng)設計 274.1 水下清掃船體機器人清掃系統(tǒng)設計 .274.1.1 定力矩清掃刀具模塊設計…………………………………………………….274.1.2 外圍柔性毛刷清掃設計及整體清掃盤布局………………………………….294.2 本章小結(jié) .30第五章 水下清掃機器人電控系統(tǒng)設計 .315.1 驅(qū)動電路分析及設計 .315.2 控制器的選用 .325.3 本章小結(jié) 33第六章 水下清 掃船體機器人樣機制作與實驗 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 打印機材料 .356.1.4 磁輪軸選材碳素桿 366.2 移動機構(gòu)的簡化及試制 .366.3 清掃機構(gòu)的簡化及試制 .416.3.1 簡化清掃機構(gòu)及關(guān)鍵件分析 .416.3.2 關(guān)鍵件加工仿真及制作 416.4 整體裝配與實驗驗證 .446.5 本章小結(jié)………………………………………………………………………….45結(jié) 論 .46致 謝 .47參考文獻 .481第一章 緒論1.1 課題研究背景近年來隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展，我國也逐漸加大了對海洋經(jīng)濟的開發(fā)和利用成都，船舶行業(yè)逐漸興旺發(fā)達起來。由于長時間在海洋中航行，導致各種水生動植物附著于船體表面及鉆井平臺表面，一方面加速了鉆井平臺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數(shù)十億英鎊。當前船運市場的形式及其嚴峻，并且由于國際燃油市場的油價高居不下，國際船運公司出于降本增效、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，海洋生物附著物也會對船舶的主機產(chǎn)生影響，降低了主機的使用壽命，增加運營成本。研究表明，當船體有了海洋生物附著物之后，船速會降低 10%，油耗會上漲 40%，全球船業(yè)每年因此而耗費的油費大約有 100 億美元 [1-2]。海洋船體被附著一直都是一個老問題，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，會進行船體打磨去銹補漆等工序，是一種較為全面的，在清理船體表面附著物的同時可維護船體。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，進船塢清掃成本高，延誤航行，只作為長期航行后休整時采用。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力裝置構(gòu)成，該動力裝置是由柴油機、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，高壓液軟管上設有溢流閥和儲能器，清洗槍上設有抵消后坐力用噴頭和消聲器。該動力設備為空化射流提供了高壓海水，較強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，清掃時船只許靠岸停泊，效率較低。3）水下機器人清掃目前有的水下船體清掃機器人主要是英國的 SCAMP 水下清洗機，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，動力由潛水電機驅(qū)動雙液壓泵提供。清掃車以常速移動,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,清洗機上的電力控制裝置在一個密閉的電力分配箱上。清洗機的前進，停止或倒退通過控制臺或潛水員控制。由于它的直徑相當大，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潔刷進行作業(yè) [5]，針對藤壺等強力附著物無法進行有效清掃，且污染環(huán)境，仍無法被國內(nèi)航海業(yè)所廣泛接受。水下機器人依舊處于開發(fā)推廣階段，由于國內(nèi)具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的較少，且已有的水下機器人清掃效率和質(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器人大多是爬壁機器人，而這種爬壁機器人是機器人中的新品種，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)機器人。從相關(guān)文獻查看得知，水下機器人結(jié)構(gòu)主要分為移動機構(gòu)和清掃機構(gòu)，其移動機構(gòu)是指就是爬壁機器人，爬壁機器人的研究已經(jīng)相當?shù)亩?，但是用于實際的工作當中的還是很少的，但是隨著研究的深入，理論的完善，工程實踐中會涌現(xiàn)越來越多的此類機器人。爬壁機器人的研究重點是如何使機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)文獻中查看，總的來說，爬壁機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。對于真空吸附而言，它不會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器人都是可以吸附的，但是真空吸附的缺點又是顯而易見的，那就是，當壁面凹凸不平的時候，真空吸附的吸力就會受到影響，從而它的承載能力就會下降；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，那就是它的結(jié)構(gòu)簡單，吸附力遠大于真空吸附，并且對于凹凸不平的壁面它的適應能力是遠遠好于真空吸附的；氣流負壓吸附的原理則是根據(jù)靠螺旋槳產(chǎn)生的氣流負壓力的壁面法向分量將機器人壓在壁面上，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，但是它的運動精度以及吸附的穩(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)均采用了水下運載工具的設計原理，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 個轉(zhuǎn)刷，3 個行走輪和 1 個中心推進器構(gòu)成。動力源是液壓或氣動 [7]。典型的有英國的 SCAMP 水下清洗機，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，動力由潛水電機驅(qū)動雙液壓泵提供，1 個泵驅(qū)動葉輪,另 1 個泵帶動 3 個牽引輪和清洗刷，牽引力約 2040N。清掃車以常速移動,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,清洗機上的電力控制裝置在一個密閉的電力分配箱上。清洗機的前進，停止或倒退通過控制臺或潛水員控制。由于它的直徑相當大，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行作業(yè)。行走多刷式水下清掃裝置：他的工作部分由 2 個轉(zhuǎn)刷，3 個行走輪和 1 個中心推進器構(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、大連等地建立業(yè)務。國內(nèi)引進的清刷作業(yè)設備，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器人。上海交通大學從 1992 年開始研制測量油罐容積的履帶式永磁吸附爬壁機器人。目前有哈爾濱工程大學所研制的水下船體表面清刷機器人 [8-9]，這種機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行清理。1.3 課題研究的目的與意義目前許多港口都設有船塢對于遠航而來的船只提供清掃及維修等服務，從而減小船舶運行阻力，提高運行速度，降低能耗，提高燃油的經(jīng)濟性，并且這一措施取得了良好的經(jīng)濟效益，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。水下機器人可在船體航行時對船體進行實時清掃，無需停船清掃，同時避免了人工潛水清掃的危險性，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行清掃，而船體主要的推進裝置等結(jié)構(gòu)都是曲率小的部分，只能人工潛水清掃，水下清掃船體機器人的優(yōu)勢無法體現(xiàn)，仍無法真正得到普及。本課題設計并制作一種可全方位移動并可針對不同附著物進行分級清掃的機器人，實現(xiàn)水下自動清掃船體的功能。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器人設計與開發(fā)，本項目將從以下幾個方面開展研究：① 移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計；② 履帶吸附裝置設計；③ 清掃盤組裝模塊化設計；④ 清掃盤分級清掃結(jié)構(gòu)級傳動系統(tǒng)設計；⑤ 移動及清掃協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設計。1）履帶行走及吸附結(jié)構(gòu)及方法設計磁輪通過內(nèi)部潤滑軸套和鋁棒固定于兩個履帶節(jié)之間，每個履帶節(jié)中央設計有方形磁鐵，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，通過履帶的張緊機構(gòu)的調(diào)節(jié)，保證了磁輪的滾動平滑性，經(jīng)試驗驗證此結(jié)構(gòu)運行可靠，可以提供充足的爬升力和吸附力。單獨的履帶模塊側(cè)向可以自由滑動，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）履帶模塊交錯結(jié)構(gòu)設計履帶模塊采用彼此交錯設計方式，可以根據(jù)客戶的需求，在設定好中央功能實現(xiàn)機構(gòu)后，通過履帶模塊長度的調(diào)整，調(diào)整其吸附力，順應不同的工作環(huán)境及不同的工作需求，大大提高了其移動機構(gòu)的通用性，這將是本項目結(jié)構(gòu)研究方面的另一關(guān)鍵技術(shù)。3）清掃盤分級清掃系統(tǒng)及方法設計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，在清掃藤壺等強力附著物是避免對船體的傷害，這將是本項目控制系統(tǒng)研究方面的關(guān)鍵技術(shù)之一。64）水下清掃機器人移動與清掃協(xié)調(diào)系統(tǒng)設計本項目設計的水下清掃機器人涉及帶有人機交互界面的狀態(tài)監(jiān)控及功能操作軟件，目的是對清掃質(zhì)量和機體穩(wěn)定性進行可視化實時監(jiān)控。同時，交互界面亦可以對工作模型進行設置，并通過串口無線模塊實現(xiàn)上位機與下位機之間的信息交互，這將是本項目控制系統(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，針對下面要改進的方向進行了確定，明確了水下清掃船體機器人的關(guān)鍵技術(shù)和主要研究內(nèi)容。7第二章 水下清掃船體機器人總體方案設計2.1 水下清掃船體機器人設計要求水下清掃船體機器人的設計目標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力附著物進行分級清掃。它的行為可以通過自主判別進行智能清掃，另外可以通過操作員的遠程操控在附著物眾多或船體的重要部位進行有針對性的強力清掃。在制定機器人設計方案，需要根據(jù)其功能、外形及清掃質(zhì)量、效率等參數(shù)才進行設定。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器人設計要求功能 要求動態(tài)性能 在負載 9-16 組清掃機構(gòu)的同時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。1.運動精準，反應較快。2.機構(gòu)耐沖擊，具有良好的電路保護措施。具有良好的清掃、移動協(xié)調(diào)性，及全方位移動特性。外形 最大尺寸應小于船體切線尺寸。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.各項清掃參數(shù)的實時監(jiān)控。路徑規(guī)劃與導航 具有自主導航巡回功能，可于船體表面自主定位。目前國內(nèi)外的水下清掃船體機器人，多采用履帶強磁吸附與負壓吸附技術(shù)相結(jié)合，通過負壓推進技術(shù)保證機器人在下水后可以自主移動吸附于船體表面，另一方面當機器人吸附于船體表面后運用履帶強磁吸附保證機體在船體表面的工作穩(wěn)定性。但仍有諸多不足。一方面，移動機構(gòu)的履帶強磁吸附技術(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摩擦來轉(zhuǎn)向。強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)向時會有波動，8嚴重時機體甚至會脫離船體。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)運動來去除附作物。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，同時不會在清掃時傷害到船體的保護漆。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器人，提出了機器人移動方面的全方位無死角移動，在清掃船體方面為提高其清掃質(zhì)量的同時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器人方案，也為水下清掃船體機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器人的設計要求` 特點移動特性 1.具有全方位移動能力；2.突破傳統(tǒng)的差速轉(zhuǎn)向方式，具有多角度移動能力，運動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.清掃機構(gòu)運用模塊化設計理念，可根據(jù)需要進行自由并聯(lián)；2.清掃盤采用分級清掃，對于不同類型的附作物分別清掃；3.清掃機構(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行無損清掃，清掃效率及質(zhì)量更好；4.清掃機構(gòu)動力輸出裝置輸出動力更穩(wěn)定，具有良好的調(diào)節(jié)機制。92.2 水下清掃船體機器人的機械系統(tǒng)方案2.2.1 機械系統(tǒng)的設計原則水下清掃船體機器人作為設計對象，其整體機械系統(tǒng)包括：移動平臺系統(tǒng)以及清掃系統(tǒng)。展開來看，其移動平臺機構(gòu)由外圍履帶模塊、履帶張緊機構(gòu)、履帶承載機構(gòu)等組成。移動平臺通過內(nèi)部的型材首尾交錯連接組成支撐清掃機構(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)；傳遞力的動力件；傳動運動的同步帶、齒輪組等；執(zhí)行清掃的清掃盤；保證機體行進的履帶結(jié)構(gòu)。根據(jù)對水下清掃船體機器人的分析發(fā)現(xiàn)其設計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。也是設計最初就要考慮的主要核心。這要求在設計時從機構(gòu)的基本原理，實施方案，加工策略等方面，完全符合工況和額定壽命角度去設定設計參數(shù)。2）實用性。采用可靠，經(jīng)濟的方案進行設計，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。3）通用性。包含在功能性方面，這對水下清掃船體機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)越性的一個重要指標。在已有的水下清掃船體機器人的基礎上，改進其不足的同時，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，能過通過模塊的自由組合與拼接，拓展其應用領域，也是產(chǎn)品的一大特色。2.2.2 設計方法基于上述的三條設計方略，針對于此機器人首先對整體進行模塊劃分，將整體分為若干子單元，采用模塊化設計方式進行設計；另一方面，盡可能采用標準件及各種型材來設計整體機構(gòu)。1）模塊化設計模塊化設計方法由來已久，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，將整個產(chǎn)品分解為若干特定子單元體，考慮到各個子單元體之間的結(jié)構(gòu)10相互配合，同時需要功能相互配合。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，是一種非常成熟的設計理念。在許多行業(yè)中都普遍存在（例如自動化設備、計算機組裝。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)品的設計，降低成本還能縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，在機器人產(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)。其工作性能及特點集中體現(xiàn)在以下幾點：1、各個模塊之間運動學及動力學上具有獨立性；2、各個模塊具有獨立的功能，各自完成獨自的工作任務，確保工作的穩(wěn)定性；3、各個模塊之間采用自由化通用程度高的接口，機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器人從功能上分為三塊結(jié)構(gòu)，移動平臺機構(gòu)和清掃盤機構(gòu)，以及整體框架（整體承載結(jié)構(gòu)）。移動平臺，確保機體可以在船體表面順滑運動；清掃盤可以針對于不同的附著物進行分類清掃。此兩個模塊通過承載模塊提供的接口進行組合。模塊間相互組合，工作相互配合，設計中分開進行設計和裝配，通過模塊的調(diào)整和組合，可以得到適用于不同船體的機器人產(chǎn)品，并且每個模塊可以根據(jù)需要更換。2）根據(jù)標準件及成品部件設計零件及部件此產(chǎn)品的設計采用標準化流程，通過方案的討論及確定，進行模塊化分類后，針對于不同的模塊化結(jié)構(gòu)進行分析?；诖朔N設計方法，有效的降低了研發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期，減少了設計工作量，更提高了產(chǎn)品的性能與穩(wěn)定性。本設計采用了兩種途徑展開標準化設計：一、根據(jù)已有的設計對其進行改良或重用，簡化設計；二、總結(jié)此設計的特點，根據(jù)此特點提煉其核心結(jié)構(gòu)，在已有的標準化零件庫中查找和整理歸納，形成自己的內(nèi)部標準。如圖 2-1 所示，是已經(jīng)成型的標準化體系。表 2-3 為成品零部件選型系列。11水 下 清 掃 船 體 機 器 人移 動 平 臺 清 掃 機 構(gòu)整 體 支 架磁 輪 吸 附 履 帶 模 塊驅(qū) 動 輪 負 載 輪 誘 導 輪外 支 架渦 輪 負 壓 柔 性 刀 具壓 簧 柔 性 刀 具 剛 性 刀 具柔 性 外 環(huán)圖 2-1 標準化體系表 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 直流有刷電機與行星齒輪減速器清掃盤傳動 標準同步齒形帶清掃盤 標準環(huán)形尼龍毛刷履帶連接件 標準 12A 側(cè)鏈板整機機架 標準鋁合金方管2.2.3 移動平臺方案設計移動機構(gòu)是機器人構(gòu)成的基礎，是機器人工作的基本保障。在水下清掃船體機器人上，其更是機器人的重點所在，移動機構(gòu)的吸附能力和吸附效果直接關(guān)系到了機器人能否勝任清掃工作，另一方面其運動的靈敏性和靈活性影響了清掃質(zhì)量。從機器人移動機構(gòu)的特點入手，其主要有輪式、足式、履帶式以及各種復合式。目前已有的水下清掃船體機器人采用的移動方式主要有：強磁吸附履帶式、負壓推進式、永磁吸盤吸附式、集群式等。強磁吸附履帶式現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)是在兩條平行履帶上分別安置有多塊強力永磁鐵，通過強力永磁鐵對船體的吸附保持機器人于船體表面行進。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入。負壓推進式只要用水下推進裝置，通過負壓將機器人機體壓于船體表面會發(fā)生滑移等問題，導致其無法平穩(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，是通過機器人機體上的多個子單元及小型吸附單元吸附于船體，間接的將機器人主體吸附于船體，此種方式開發(fā)成本高，且維護不便，在小型船體上無法普及，不被廣泛采用。水下清掃船體機器人移動平臺的設計目標是其能夠在水下吸附于船體表面（各種曲率表面的船體），能夠在船航行時在有水流沖擊的情況下仍然可以在船體表面自如的行進。他的行進可以由操作人員控制另外也可以通過設置其工作模式，采用自主智能工作模式。其移動平臺具有良好的模塊化接口和負載能力，可以在各種環(huán)境中執(zhí)行任務。在制定設計目標時常根據(jù)船體表面材料，粗糙度，清掃效率等要素提出機器人的設計參數(shù)。根據(jù)水下清掃船體的需要，采用強磁吸附技術(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 力 磁 鐵履 帶 模 塊 2履 帶 模 塊 3履 帶 模 塊 4圖 2-2 水下清掃船體機器人履帶包裹方案從增強吸附能力角度考慮而提出的四條履帶包圍模式，此種模式的難點在于采用方形磁鐵在機器人吸附于船體表面沿著 X 方向前進時，受前后兩條 1、3 履帶上方形磁鐵吸附作用的影響，其 X 方向的運動受阻。同樣，當機器人在船體表面沿著Y 方向行進時，受左右兩條 2,4 履帶阻力的影響，其無法再 Y 方向上行進。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器人履帶吸附方案采用磁輪吸附設計方案，其優(yōu)點較為明顯。磁輪吸附方式在機器人沿著 X 方向進行時，1,3 履帶上的磁輪通過自身的轉(zhuǎn)動避免了 1,3 履帶對于 2,4 履帶行進的阻礙作用，而 2,4 履帶上的磁輪在行進時，安裝于其上的磁輪沒有轉(zhuǎn)動趨勢，不會進行Y 方向的滑移，其 Y 方向的運動被 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動。通過這一原理設計了此方案。此種結(jié)構(gòu)可以在平面上進行全方位移動，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器人在船面上的無死角移動。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，需要額外補償，為此對上一磁輪方案進行了改進。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。即當磁輪接觸船體表面時吸附力最強。而現(xiàn)有的水下清掃機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)量可以增強其機體的吸附力。另一方面，吸取現(xiàn)有水下清掃機器人的優(yōu)點，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力吸附影響機體在船體表面的全方位移動，在磁輪吸附于船體表面的基礎上。方形磁鐵距離船體表面1-2mm。同時對磁輪轉(zhuǎn)動的靈活度提出了更高的要求。通過這種方式完全實現(xiàn)了移動機構(gòu)的全方位移動。為水下機器人的清掃工作提供了基本保障。142.2.4 清掃機構(gòu)方案設計清掃機構(gòu)是水下清掃機器人的核心，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)來撞擊藤壺等強力附著物將之去除，但針對船體自身突起的焊縫等難以進行有效規(guī)避。這損傷刀具的同時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行有效的清掃，無法對藤壺、貝類等附著物進行有效清掃。綜合已有的兩種清掃方式的優(yōu)弊，本文設計的水下清掃船體機器人的清掃機構(gòu)，采用模塊化設計理念，在局部的設計中將此理念融入設計細節(jié)。15圖 2-5 現(xiàn)有柔性清掃方式此清掃機構(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，可以輕松的將藻類等刷掉。隨著清掃盤的逐漸推進，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，刀具采用定力矩設計方式，在沖擊到船體的時候，設定的沖擊力較大時，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，其強度介于藤壺、貝類等強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)流體力學分析設計為曲線型，在清掃船體的同時將清理殘渣通過自身負壓沖出清掃區(qū)域，也提供了一部分船體附著力，是一種綜合性設計方案。162.3 水下清掃船體機器人的電控系統(tǒng)方案2.3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的設計思路水下清掃船體機器人動力分別有：四個減速直流有刷電機提供驅(qū)動履帶前行動力，另外一到兩個大扭矩直流無刷電機提供驅(qū)動清掃轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動力。運用直流電機驅(qū)動器進行分別控制。為了確?？刂凭?，避免外界信號干擾，采用光電耦合，將控制信號與驅(qū)動電路分開設計。2.3.2 傳感系統(tǒng)的設計思路針對水下清掃船體機器人特點及應用領域，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 過 載 保 護密 封 保 險巡 回 防 遺 失防 側(cè) 翻 、 滑 落清 掃 檢 測電 機 驅(qū) 動 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)方案由于機器人工作與水下，其信號易受干擾，目前以后的水下機器人多采用帶線工作方式。此水下清掃船體機器人通過連接于機身的電纜供電，為保證其傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進行光耦隔離并對電路進行保護處理。電機驅(qū)動中采用熔斷器，防止負載過大對機體的影響，為保證機器人工作安全，在進行密封改裝后在密封電路保護中設計有濕度傳感器，在檢測到泄漏時具有及時斷電保護功能。機器人在水下清掃時，為防止其發(fā)生側(cè)滑在機身中央設計有慣性模塊，具有三軸加速度、三軸陀螺儀功能，進行實時檢測預防其發(fā)生意外；另一方面，17其具有最后一道保險即 GPS 巡回功能，在脫離船體后可以自動定位并巡回，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器人設計方案，分析其優(yōu)點與不足之處，并針對其不足進行改進提出了四包圍履帶移動機構(gòu)以及模塊化清掃機構(gòu)的概念，在設計中加入了模塊化理念與標準化理念。最后根據(jù)其實現(xiàn)功能，初步確定其電控思路。為下一步機械結(jié)構(gòu)與電控系統(tǒng)的設計制作打下基礎。18第三章 水下清掃船體機器人移動平臺設計水下清掃船體機器人的移動平臺設計直接關(guān)系到了整體的清掃質(zhì)量和清掃效率以及清掃能力。水下清掃船體機器人的移動平臺是個復雜的，要求很高的全方位移動機構(gòu)，實現(xiàn)功能的同時，其牢靠的質(zhì)量和穩(wěn)定的工作性能是最基本的保障，因此在設計時始終將穩(wěn)定性及其安全性等要素放在考慮的首要位置。3.1 水下清掃船體機器人移動平臺分析3.1.1 水下清掃船體機器人總體要求在水下，主要考慮機器人受到的力有重力、浮力、機器人和船體表面的摩擦力、水動力以及電機的驅(qū)動力，因此，需要建立力學模型，通過分析機器人在靜止和動態(tài)兩種情況下所需要的力及力矩的運動規(guī)律，從而計算出單個永磁體所需的最小磁吸附力和驅(qū)動履帶行走的步進電機的參數(shù)。對于移動平臺的設計需要先分析其受力狀況，通過查閱資料設定其整體大致參數(shù)，如表 3-1 所示。表 3-1 水下清掃船體參數(shù)設定部件 質(zhì)量（kg） 數(shù)量（個） 總重（kg）履帶模塊 2.8 4 11.2內(nèi)部支架 2.3 1 2.3清掃機構(gòu) 0.9 4 3.6總計 17.1通過針對現(xiàn)有清掃船體機器人的分析，根據(jù)選用的材料進行預估得知完成整體的制作，其質(zhì)量大約為 17.1KG。3.1.2 水下清掃船體機器人關(guān)鍵位姿受力分析圖 3-1 為清掃機特殊狀態(tài)靜態(tài)受力圖。其中，H 為清掃機器人重心高度；h 為重心與履帶中心線的垂直距離；A 為清掃機器人的傾覆支點； L 為 A 點與重心線的垂直距離；α 為清掃機器人傾斜角度；G 為清掃機器人的總重力（包括抗傾覆機構(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