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《哈尔滨工程大学》 2002年
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水下船体表面清刷机器人及相关技术研究

王丽慧  
【摘要】: 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。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TP242.6

【引证文献】
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【二级引证文献】
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