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水下仿生拱泥机器人及其关键技术研究

张英  
【摘要】:随着航运事业的日益发展,船舶触礁以及船舶间的碰撞等引起的沉船事故也屡屡发生。这些沉船成为名副其实的“水下暗礁”,给来往航行船舶的安全带来很大威胁,也严重降低了航道的通行效率。因此,提高打捞效率,快速清除航道中的沉船,对我国的交通运输和经济发展都具有重要的现实意义。 传统打捞方法主要是以潜水员个人的体能和经验为主的劳动密集型潜水作业。在沉船底部进行穿千斤作业是沉船打捞中的关键工序,目前我国普遍采用手动攻泥器,由潜水员手工操作。由于水底淤泥地质复杂,水下作业环境恶劣,使得水下打洞和穿引千斤缆是一项劳动强度极大、效率低且危险性很高的工作,尤其是在深度较大、地质复杂的海区,难度就更大。因此,沉船打捞业急需研制一种全自动自主作业的水下穿千斤的设备,以部分甚至完全替代潜水员的水下作业。这种自动化作业设备称为拱泥机器人,它是一种新型水下特种机器人,是自主移动机器人领域中的新成员,属于极限作业机器人的范畴。 目前,实现水下穿千斤的自动化作业还是一个世界性难题。对于专门针对水下穿千斤作业、工作在海床或河床以下的淤泥环境之中的拱泥机器人的研究,目前国外尚无相关的研究报道。近年来,国内几所科研院所率先对此进行了一些探索性研究,并提出了几种拱泥机器人的原理方案。 本文在全面总结拱泥机器人最新研究成果的基础上,对水下仿生拱泥机器人及其关键技术展开了深入研究和创新设计。 (1)针对目前拱泥机器人方案研究中所存在的一些工程可行性不足等问题,研究和设计了一种新型水下仿生拱泥机器人原理样机的总体设计方案,并从理论和实验上论证了方案的工程可行性。 (2)将拱泥机器人的复杂运动分解为仿生自律蠕动和姿态调整两类基本运动,统一了机器人自身姿态合成与定位算法,为混合控制模式的实现和机器人运动学分析及仿真模型的建立提供了便利条件。 (3)将尾缆实际进给量作为机器人“准绝对”定位的参数,为机器人构建了两套位姿检测系统及其迭代算法,利用定位测量数据的冗余建立了数据融合算法,有利于提高定位系统的精度和可靠性。 (4)基于液压振动原理,将冲击机构、随动机构和控制机构进行了有机集成,


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