液压式船体表面清刷机器人研究与稳定性分析

摘要

随着全球化进程，运输业、国防建设和海洋资源开采等竞争愈加激烈，对船舶工业的技术发展与需求都提出了挑战。当今时代，船舶工业飞速发展，在国家经济建设中也占据越来越重要的地位。而对船舶工业来说，船舶表面的清洗是其中造船和修船都不得不考虑的重要环节，也是不可缺少的辅助环节。
　　液压式船体表面清刷机器人是特种作业机器人中的一种，能够作业在垂直的壁面上的移动机器人。它作为高空作业的自动化设备，已经受到越来越多的关注。本文在总结国内外现有液压式船体表面清刷机器人发展现状和应用情况的基础上，提出了一种基于双履带和永磁吸附的液压式船体表面清刷机器人整体方案，设计开发液压式船体表面清刷机器人。
　　在分析液压式船体表面清刷机器人作业流程的基础上，确定液压式船体表面清刷机器人总体设计方案。根据机器人本身的参数要求，对机器人的移动、吸附方式和动力方案进行选择，确定磁吸附的吸附方式、履带移动方式和液压驱动的动力方案。结合作业任务的特点和技术参数要求，以及面对清刷船体表面的任务，机器人需要克服的难点，对机器人各模块的结构进行设计，以及优化，并对各部分功能进行介绍。针对选择的设计方案，设计机器人整体的结构，对机器人各模块进行详细的设计。
　　针对水下作业任务的特点和船体周围的工作环境，建立机器人不同工作状态下静力学和运动学的力学模型，对机器人的受力进行了系统的研究和分析。在此基础上，分析计算机器人安全可靠作业所必须的磁吸附单元的吸附力，并求出机器人转向、直行运动马达所需的安全扭矩，为结构参数设计提供重要依据。
　　通过分析清刷机器人的作业环境和任务要求，确定液压驱动系统的设计方案。设计了液压驱动系统的液压原理图，对液压原理图各部分进行介绍，并对液压驱动系统的作业过程进行讨论。然后由前文求得的设计参数对液压泵、液压马达和其他元件进行设计选型。建立清刷机器人液压系统的数学模型，以AMEsim仿真软件建立液压式船体表面清刷机器人液压系统仿真模型，对机器人的作业工程进行仿真研究，得出液压系统中各个液压马达的流量、扭矩和转速的仿真曲线，验证液压驱动系统设计的可靠性和有效性。
　　根据液压式船体表面清刷机器人控制系统要求进行了控制系统设计，包括控制系统总体设计，对控制器、编码器、高清摄像头、姿态传感器、水压传感器等的选型，以及各个硬件接口设计。设计了机器人的控制系统上位机软件控制页面和下位机软件控制框图，为下一步液压式船体表面清刷机器人样机的研制和机器人实际工程作业的开展打下了基础。
　　最后根据要求设计机器人的性能试验，验证研制的船体清刷液压机器人原理样机性能参数符合设计要求，能安全可靠平稳运行，且在较大的范围内调节速度，清刷能力满足效率要求。
　　本文的研究成果为液压式船体表面清刷机器人工程样机的研制和水下作业提供了理论基础，同时为我国水下作业装备的研究提供了可借鉴的经验。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2船体表面清刷机器人国内外发展现状

1．2．1国外清刷机器人技术的发展

1．2．2国内表面清刷机器人技术的发展

1．3清刷机器人的技术现状和面临的不足

1．4论文研究的主要内容

第2章液压式船体表面清刷机器人方案研究

2．1引言

2．2液压式船体表面清刷机器人方案分析

2．2．1液压式船体表面清刷机器人相关参数及技术要求

2．2．2液压式船体表面清刷机器人总体方案

2．3液压式船体表面清刷机器人结构设计

2．3．1浮体装置

2．3．2控制柜

2．3．3自动伸缩刷子装置

2．3．4密封装置

2．4磁吸附履带结构设计分析

2．4．1磁路材料分析

2．4．2永磁吸附单元设计

2．4．3行走链机构

2．5本章小结

第3章液压式船体表面清刷机器人稳定性分析

3．1引言

3．2机器人相对船舶静止时的力学分析

3．2．1清刷机器人纵向倾覆受力分析

3．2．2清刷机器人横向倾覆受力分析

3．2．3清刷机器人沿船体表面下滑受力分析

3．2．4清刷机器人沿船体表面下滚受力分析

3．3．5清刷机器人法向脱离受力分析

3．2．6机器人静力学数值仿真

3．3机器人相对船舶运动时的力学分析

3．3．1清刷机器人沿船体表面直行运动

3．3．2清刷机器人转向运动分析

3．3．3清刷机器人负载质量及重心分析

3．3．4机器人动力学数值仿真

3．4清洗刷旋转力学模型分析

3．5本章小结

第4章液压式船体表面清刷机器人液压系统研究

4．1引言

4．2液压动力系统原理方案分析

4．2．1液压系统方案分析

4．2．2液压驱动系统原理分析

4．2．3液压驱动系统工作过程分析

4．3液压系统元件计算

4．3．1液压系统流量计算

4．3．2液压泵的选型

4．3．3液压马达的选型

4．4液压系统数学模型建立

4．5基于AMEsim的清刷机器人液压驱动系统仿真

4．5．1AMESim简介

4．5．2基于AMESim的履带式清刷机器人液压系统建模及参数设置

4．5．3基于AMESim的液压系统仿真模型

4．5．4液压驱动系统仿真分析

4．6本章小结

第5章液压式船体表面清刷机器人控制系统及实验研究

5．1引言

5．2控制系统总体设计方案

5．2．1控制系统结构方式

5．2．2控制系统框架结构

5．2．3控制系统硬件接口设计

5．3控制系统硬件设计

5．3．1控制器

5．3．2通信协议设计

5．3．3电源设计

5．3．4防水摄像头

5．3．5传感器设计

5．4控制系统软件设计

5．4．1上位机软件设计

5．4．2下位机软件设计

5．5清刷机器人性能测试

5．5．1清刷机器人样机密封性能实验

5．5．2磁吸力能力测试

5．5．3行走、纠偏和越障测试

5．6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢