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用于搭载船舶除锈清洗器的爬壁机器人研究

衣正尧  
【摘要】:用于搭载船舶除锈清洗器的爬壁机器人WCRSRR的主要功能是搭载船舶壁面除锈清洗器,使其在船舶壁面有效地进行除锈。近年来,世界上许多国家开始研制环保、安全、高效的各种WCRSRR机器人。 本文针对该机器人负载大、本体重的特点,分析了WCRSRR机器人研究的关键技术,对WCRSRR机器人的理论特性进行了研究,对考虑真空负压和射流力的WCRSRR附壁特性、大负载履带式WCRSRR转向特性和考虑变负载变重心的WCRSRR驱动特性进行了研究。 WCRSRR属于大负载且本体比较重的重载爬壁机器人,由于选择了履带式行走机构、永磁真空混合吸附方式,当爬壁机器人在船舶壁面上作业时,在真空抽吸力即真空负压压力一定的情况下,永磁吸附单元的吸附力越大,则爬壁机器人的吸附可靠性越高,其运动稳定性也越高,但灵活性却随之降低。在真空负压压力一定的情况下,在确保爬壁机器人可靠吸附和稳定运动的基础上,为了尽可能地提高机器人的运动灵活性,需要根据爬壁机器人所需的最小允许吸附力对磁吸附单元进行优化设计。本文提出了一种考虑吸附壁面法向真空负压和射流力的附壁性能分析方法,建立了永磁真空混合吸附的附壁力学模型,并进行了算例仿真分析,规划了永磁和真空负压的参数匹配。同时提出了大负载履带式WCRSRR转向特性分析方法,建立了大负载的转向特性摩擦的力学模型,并进行了算例仿真分析,通过有限元对比分析,设计了一种刚度和结构优化的行走永磁单元结构。 驱动性能是爬壁机器人上爬动力的关键,本文研究了爬壁机器人在拖带较重的负载管路下的驱动能力,建立了爬壁机器人的动力系统模型,详细分析了机器人在船舶壁面上的运动状态和电机驱动转矩、减速机输出转矩与机构参数之间的关系,对驱动系统模型进行了优化,建立了驱动转矩与机器人爬壁作业高度及船舶壁面倾斜角的关系方程,通过对三者关系的分析,给出了机器人在各个作业高度下,机器人驱动转矩所允许的船舶壁面倾斜角,即机器人爬壁倾斜角,为WCRSRR的驱动系统设计、驱动元件选择和安全可靠驱动工作提供了理论依据。 根据本文的理论分析,研制了一种履带式永磁真空混合吸附的WCRSRR机器人系统,并进行了同步行进、附壁性能、驱动性能、转向性能和横爬性能等现场试验。针对所研究的WCRSRR试验样机的不足,设计了一种改进的用于搭载船舶除锈清洗器的爬壁机器人配置方法,规划了改进的动力系统工作原理,分析了运动性能,设计了三角形摆动越障机构。


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