金东杰[1]2007年在《水下船体清刷机器人控制系统及路径规划研究》文中进行了进一步梳理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。
杜宏旺[2]2005年在《船体表面清刷机器人原理样机的研究》文中提出船体表面清刷机器人是针对船体表面的附着物需要定期进行清刷为背景和以提高清刷自动化水平为目的而开发的一种水下清刷作业装置;本课题以黑龙江省科技攻关项目资金为支持而开展的,具有广泛的应用前景。 论文对国内外船体表面清刷作业机具和船体表面清刷机器人的研究发展状况进行综述;根据工作环境和特点,提出方案,经过分析对比选择了双履带、永磁体吸附方式的总体结构。 进行船体表面机器人本体结构设计,包括永磁体结构和吸附力的设计、链传动的设计、清刷机构的设计和水下密封设计等。 对水阻力进行计算和对清刷机器人在不同运动状态进行受力分析,建立力学模型;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C语言的上下位机控制软件的开发。 船体表面清刷机器人的研制提高清刷效率及清刷作业自动化水平,开辟了一个崭新的领域。
安永东[3]2007年在《水下船体表面清刷机器人检测系统研究》文中研究说明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。
金海涛[4]2003年在《水下船体表面清刷机器人控制系统的研究》文中研究指明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[5]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。
尹龙[6]2004年在《船体表面水下清刷机器人关键技术研究》文中研究指明船体表面水下清刷机器人是一种可在水下移动、具有视觉或其他感知系统、通过遥控或自主操作方式，使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置。本文研制的水下船体表面清刷机器人是水下移动机器人的一种类型，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，提出了基于液压传动、计算机控制技术的推力吸附式、轮式驱动的船体表面水下清刷机器人本体结构方案。 论文建立了船体表面水下清刷机器人在船体表面处于静止和运动状态下的力学模型，进行了相关的力学分析。 论文建立了水下清刷机器人定位和姿态确定数学模型，对机器人在水上和水下工作的不同方式的定位模型进行了分析计算。提出了机器人水下轨迹定位法，水上环境采用超声定位法，不同的环境采用不同定位方式的思想。 论文分析了机器人在工作中的对液压系统的工作要求，对不同的工作要求的子系统选择不同的液压马达和设计了不同的液压回路。提出了机器人液压传动上，采用容积调速回路，提高了系统效率。 论文研究和设计了船体表面水下清刷机器人的基于单片机和微机的两级控制系统，设计了控制系统的硬件电路部分。 船体表面水下清刷机器人的研制为替代人力、提高劳动生产率、提高清刷机械化程度开辟了一个新的领域。
吕长生[7]2006年在《水下船体表面清刷机器人工程样机的研究》文中研究表明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。
王博[8]2016年在《船体空化水射流清刷机器人设计与清洗效率研究》文中研究表明目前,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。
袁夫彩, 陆念力, 王立权[9]2008年在《水下船体清刷机器人关键技术及其试验的研究》文中提出为了自动清刷水下船体表面附着的海生物和锈蚀等,降低船舶的航行阻力,研制了水下船体表面清刷机器人。首先建立了机器人在船体表面上的力学模型,推导了机器人抗倾覆、滑落和下滚的条件,设计了机器人所需要的吸附力和驱动力矩。针对电机可供密封用的轴向尺寸小的情况,在电机输出轴上加轴套,该轴套既起到了联接的作用,又为密封创造了条件,解决了密封难的问题。对水下清刷作业装置进行了动力学分析和优化设计。针对机器人的控制要求,设计了机器人的控制系统。最后对机器人样机性能进行了试验,验证了机器人样机各项性能指标符合使用要求。
肖宏远[10]2017年在《船体表面水下清刷机器人研究》文中提出由于海洋生物和海水的腐蚀性,船舶在水中长时间行驶后,船体表面会附着大量贝类、藤壶和锈皮等污损物。而现有的防锈涂层并不能有效解决此问题,因此面向大型船舶的船体表面清洗技术得到了迅速发展。针对现有壁面清洗装置存在的自动化程度低、清洗效率低、作业环境受限、缺乏清刷检测手段等问题。本文设计一种双模式的水下船体壁面清洗机器人,针对机器人水下壁面吸附和六自由度运动控制等关键问题进行了研究。首先,提出了论文研究的背景和意义,通过对国内外船体表面清刷装置的研究现状进行分析,总结出水下清刷装置的技术组成,对壁面移动机器人和水下作业机器人进行调查研究。针对现有的船体清刷装置在实际工作方面的不足,设计了一个新型的水下清刷机器人。其次,根据技术指标和使用环境确定机器人的吸附方案和移动方案,机器人结合使用反推力吸附和负压吸附两种吸附方式,并且具有水下游动和壁面爬行两种移动模式。对机器人的机械结构、材料选择、浮心重心计算和关键器件选型进行了研究。之后建立了水下清刷机器人在船体表面的空间位姿模型,依据该模型从防止装置吸附失效的角度列出了稳定吸附的力学平衡方程,确定机器人稳定吸附需要的最小吸力。然后,研究了机器人的清刷原理和吸附原理,杯形刷既能清刷船体,同时在船体壁面上旋转时会产生平行于旋转轴的吸力,使机器人吸附于船体壁面。根据清刷和吸附的工作需求,对清洗刷进行设计。由于目前对杯形刷旋转过程所产生的吸附力的研究较少,所以本文针对设计的杯形刷进行吸附力实验,建立杯形刷吸力和马达输入与壁面距离的线性化关系,为建立机器人近壁面运动的动力学模型提供依据。最后,建立水下清刷机器人在水中游动的动力学模型,并针对机器人需要贴近船体壁面的特点,结合上述吸力实验结果建立近壁面运动的动力学模型。根据机器人工作过程设计控制方案,使用反演设计法设计滑模控制器,对机器人的六自由度运动进行闭环控制,通过系统仿真,验证控制了系统的有效性和优越性,还验证了杯形刷产生的吸力可以辅助机器人的贴壁运动。
参考文献：
[1]. 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
[2]. 船体表面清刷机器人原理样机的研究[D]. 杜宏旺. 哈尔滨工程大学. 2005
[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]. 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
[5]. 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
[6]. 船体表面水下清刷机器人关键技术研究[D]. 尹龙. 哈尔滨工程大学. 2004
[7]. 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
[8]. 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
[9]. 水下船体清刷机器人关键技术及其试验的研究[J]. 袁夫彩, 陆念力, 王立权. 机械设计与研究. 2008
[10]. 船体表面水下清刷机器人研究[D]. 肖宏远. 哈尔滨工程大学. 2017