1、 江苏科技大学 本 科 毕 业 设 计（论文） 学 院 机电与汽车工程学院 专 业 机械 设计制造及其自动化 学生姓名 班级学号 指导教师 年 月 I 江苏科技大学本科毕业论文 水下船体 清扫 机 器人设计与实现 Design and realization of underwater cleaning robot 江苏科技大学本科毕业设计（论文） II 摘 要 近年来伴随着海洋经济的飞速发展，我国也加大了对海洋事业开发的重视程度，船舶行业逐渐兴旺发达。但由于长时间在海洋中航行，导致各种小型水生物植物附着于船体表面，例如藤壶，海藻，贝类等。其吸附于船体表面会导致轮船在行驶过程中阻力增大，增加轮
2、船在行驶时的油耗，同时也污染环境。因此对藤壶、海藻等船体附着物进行相关的清扫处理成为当务之急。水下机器人可实现短期阶 段性清扫，成本低廉，并可以在船航行时进行清扫，在航海业具有广泛的应用前景。但目前已有的水下机器人存在效率低下，清扫质量无法满足市场需求，对于藤壶等强力附着物无法进行有效清扫。 针对上述问题，本文在基于负压吸附与强磁履带模块协调技术，设计了一种包围式履带移动平台，此平台通过四条履带的吸附配合和移动配合方案确保机器人在船面全方位移动。在清扫机构方面采用模块化设计理念，针对附着物附着特点设计专业清扫模块，通过模块化接口组合实现分级清扫功能。最后，通过友好的人机界面和任务调度系统，将清
3、扫质量及效率参数实时反馈于监管 系统，具有良好的可操作性，保证了清扫质量。 首先，分析了目前水下清扫船体机器人系统组成及国内外研究现状，根据工作需求提出相应的设计架构，关键结构的实现方案与技术参数，设计了整体机械结构原理模型。 进而具体剖析了水下清扫船体机器人的机械结构设计，计算其吸附力及吸附效果，分析型材及电机选型，标准件选用等。运用虚拟样机模型技术，建立清扫船体机器人的虚拟样机模型，同时针对关节结构进行有限元分析校核其强度，为实物样机的制作提供了有力的理论依据。绘制加工图纸，加工零件，并装配样机。 其次，根据其功能需要设计电控系统，绘 制电路原理图，搭建控制系统和驱动系统，整理系统框图和实
4、物框图，完善其控制系统，并检测其电控系统稳定性。 最后，测试其移动机构的移动特性，对移动以及清扫进行稳定性判断，分析其移动特性及清扫特点，进一步保证了清扫船体机器人的工作安全性和可靠性，为水下清扫船体机器人的进一步研究打下了扎实的基础。 关键词： 清扫船体机器人；模块化；全方位移动；虚拟样机 江苏科技大学本科毕业设计（论文） III Abstract In recent years, with the rapid development of marine economy, China has also increased the degree of attention to the deve
5、lopment of marine industry, marine industry gradually developed However, because of the long time sailing in the ocean, resulting in a variety of small water plants attached to the hull surface, such as barnacles and seaweed, shellfish and so on. Its adsorption on the surface of the hull will lead t
6、o increase in the resistance of the ship in the process of running, increase the fuel consumption of the ship when traveling, but also pollute the environment. So the barnacles, algae and other related attachments hull cleaning has become a pressing matter of the moment. The underwater robot can ach
7、ieve short-term cleaning, low cost, and can be cleaned when the ship is sailing, and it has a wide range of application prospects in the navigation industry. But at present, the existing underwater robot has low efficiency and the cleaning quality unable to meet market demand, the barnacles strong a
8、ttachments cannot be effectively sweep. In view of the above problems, this paper based on negative pressure adsorption and strong magnetic crawler module coordination technology design a surrounded by crawler type mobile platform. This platform by the adsorption of the four band with and movement w
9、ith the program to ensure the deck of the omnidirectional mobile robot in. The modular design concept is adopted in the cleaning mechanism, and the cleaning module is designed according to the characteristic of the attachment. At last, through the friendly man-machine interface and task scheduling s
10、ystem, the cleaning quality and efficiency parameters are real-time feedback to the supervision system, which has good operability, and can ensure the quality of cleaning. The main contents of this paper are: First, the analysis of the current underwater cleaning hull robot system composition and do
11、mestic and foreign research present situation, according to the requirements of the work, put forward corresponding design architecture, key structure of the implementation scheme and technical parameters, design the overall principles of mechanical structure model. Then the mechanical structure des
12、ign of the underwater cleaning robot is analyzed, the adsorption capacity and the adsorption effect are calculated, and the selection of the 江苏科技大学本科毕业设计（论文） IV profile and the motor is analyzed. Using virtual prototype technology, establish sweeping hull robot virtual prototype model, while for joi
13、nt structure, finite element analysis and checking the strength and provides a strong theoretical basis for making the physical prototype. Drawing working drawings, machining parts, and assembly prototype. Secondly, according to the function of the required design of electrical control system, draw
14、the circuit schematic diagram, set up the control system and drive system, finishing system and object diagram, improve the control systems, and to detect the stability of the control system. Finally, test the moving mechanism moving characteristics, of mobile and cleaning in judging the stability o
15、f the moving characteristics and cleaning characteristics, further guarantees the cleaning hull robot work safety and reliability, water cleaning and laid a solid foundation for further study of hull robot. Keywords: cleaning robot; modularization; omnidirectional movement; virtual prototype 江苏科技大学本
16、科毕业设计（论文） V 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 3 1.3 课题研究的目的与意义 . 4 1.4 课题研究的主要内容与关键技术 . 5 1.5 本章小结 . 6 第二章 水下清扫船体机器人总体方案设计 . 7 2.1 水下清扫船体机器人设计要求 . 7 2.2 水下清扫船体机器人的机械系统方案 . 9 2.2.1 机械系统的设计原则 . 9 2.2.2 设计方法 . 9 2.2.3 移动平台方案设计 . 11 2.2.4 清扫机构方案设计 . 14 2.3 水下清扫船体机器人的电控系统方案 . 15 2.3.1 驱动系统的设计思路
17、 . 15 2.3.2 传感系统的设计思路 . 16 2.4 本章 小结 . 16 第三章 水下清扫船体机器人移动平台设计 . 18 3.1 水下清扫船体机器人移动平台分析 . 18 3.1.2 水下清扫船体机器人关键位姿受力分析 . 18 3.2 水下清扫船体机器人移动平台设计 . 20 3.2.1 履带吸附 结构 . 23 3.2.2 负载轮 结构 . 23 3.2.3 链轮传动 结构 . 23 3.2.4 履带张紧结构 . 23 3.3 水下清扫船体机器人移动平台整体搭建 . 24 江苏科技大学本科毕业设计（论文） VI 3.4 本章 小结 . 26 第四章 水下清扫机器人的清扫系统设计
18、 . 27 4.1 水下清扫船体机器人清扫系统设计 . 27 4.1.1 定力矩清扫刀具模块设计 .27 4.1.2 外围柔性毛刷清扫设计及整体清扫盘布局 .29 4.2 本章 小结 . 30 第五章 水下清扫机器人电控系统设计 . 31 5.1 驱动电路分析及设计 . 31 5.2 控制器的选用 . 32 5.3 本章 小结 . 33 第六章 水下清扫船体机器人样机 制作 与实验 . 34 6.1 关键零件的材料选用 . 34 6.1.1 整体支撑框架铝合金型材的 选用 . 35 6.1.2 履带固定板 ABS 板 . 35 6.1.3 PLA3D 打印机材料 . 35 6.1.4 磁轮轴选
19、材碳素杆 . 36 6.2 移动机构的简化及试制 . 36 6.3 清扫机构的简化及试制 . 41 6.3.1 简化清扫机构及关键件分析 . 41 6.3.2 关键件加工仿真及制作 . 41 6.4 整体装配与实验验证 . 44 6.5 本章小结 .45 结 论 . 46 致 谢 . 47 参考文献 . 48 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 课题 研究背景 近年来随着海洋经济的发展，我国也逐渐加大了对海洋经济的开发和利用成都，船舶行业逐渐兴旺发 达起来。由于长时间在海洋中航行，导致各种水生动植物附着于船体表面及钻井平台表面，一方面加速了钻井平台水下部分的腐蚀速度，影
20、响其使用寿命，另一方面其吸附于船体表面会增加船体行驶阻力从而影响航船的速度、增加油耗。近年来，海洋船体附着物一直影响着船主，每年为清扫船体的此类附着物大约需要花费数十亿英镑。当前船运市场的形式及其严峻，并且由于国际燃油市场的油价高居不下，国际船运公司出于降本增效、降低能耗的考虑，采取了极端降速的措施，因此加剧了海洋生物附着物的附着以及对船舶的不利影响。同时，海洋生物附着物也会对船舶的主机 产生影响，降低了主机的使用寿命，增加运营成本。研究表明，当船体有了海洋生物附着物之后，船速会降低 10%，油耗会上涨 40%，全球船业每年因此而耗费的油费大约有 100 亿美元 1-2。 海洋船体被附着一直都
21、是一个老问题，尽管现在水下的船体部分都是使用高科技的防污漆，但是长时间的降速航行、漂航以及抛锚船舶船体还是难以避免海洋附着物的附着。现有防附着物的水中涂料，此种涂料中含有一种可以抑制附着物生长的化学物质，但此种方法污染环境，影响海中生物的常态生长，另外涂料需要定期补漆，也带来了许多不便 3-4，如图 1-1 所 示 为常见 船体附作物 。 (a)船体附着状况 (b)附着物 图 1-1 船体 附作物 目前主要还是采用对船体表面附着物清扫的方式，现有清扫方式有：船坞清扫 、人工潜水清扫以及水下机器人清扫 5。 1） 船坞清扫 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 2 船坞清扫是目前清扫质量最好的清扫方
22、式，船坞清扫的同时，会进行船体打磨去锈补漆等 工序，是一种较为全面的，在清理船体表面附着物的同时可维护船体。 如图1-2 所示 为船坞清扫附作物 。 图 1-2 船坞清扫附作物 但目前，进船坞清扫成本高，延误航行，只作为长期航行后休整时采用。无法满足现代航海业的需求。 2） 人工潜水清扫 人工潜水水下清理多采用船舶水下空化清洗系统，它是由清洗器以及为清洗器输出高压液的动力装置构成，该动力装置是由柴油机、自吸前置泵、过滤器、柱塞泵和高压液软管构成，自吸前置泵、过滤器和柱塞泵依次连接，高压液软管的一端与柱塞泵的高压液输出端连接，另一端与清洗枪或清洗盘或打磨装置连接，高压液软管上设有溢流阀和储能器，
23、清洗枪上设有抵消后坐力用喷头和消声器。该动力设备为空化射流提供了高压海水，较强的空化射流不仅提高了清洗效率，而且还避免了对船舶油漆涂层所造成的破坏。但需要人工手持操作，具有安全隐患，清扫时船只许靠岸停泊，效率较低。 3） 水下机器人清扫 目前有的水下船体清扫机器人主要是英国 的 SCAMP 水下清洗机，水下清洗系统为圆形装置，形状像浅碟子，通过叶轮的作用产生吸力，将清洗剂涂抹在工作面上，动力由潜水电机驱动双液压泵提供。清扫车以常速移动 ,清洗带宽约 1.7m,清洗效率为1653.6m2/h。操作在母船上执行 , 通过同轴电缆连接到操作台 ,清洗机上的电力控制装置在一个密闭的电力分配箱上。清洗机
24、的前进，停止或倒退通过控制台或潜水员控制。由于它的直径相当大，在窄拐角处不能使用，只能适用于曲率较大的水面船舶的船体部位，海水吸入箱，螺旋桨等不易清理的部位仍需要潜水员手持清洁刷进行作业 5，江苏科技大学本科毕业设计（论文） 3 针对藤 壶等强力附着物无法进行有效清扫，且污染环境，仍无法被国内航海业所广泛接受。水下机器人依旧处于开发推广阶段，由于国内具有独立自主知识产权的较少，且已有的水下机器人清扫效率和质量难以满足需求。 1.2 国内外研究现状 从国内外的相关技术来看，目前用于水下清扫用的机器人还不是很多。像类似于这种壁面清扫或者是检测用的机器人大多是爬壁机器人，而这种爬壁机器人是机器人中的
25、新品种，用于在垂直壁面上工作，由于这种工作超过了人类极限，因此又称为极限作业机器人。 从相关文献查看得知，水下机器人结构主要分为移动机构和清扫机构，其 移动机构是指就是爬壁机器人，爬壁机器人的研究已经相当的多，但是用于实际的工作当中的还是很少的，但是随着研究的深入，理论的完善，工程实践中会涌现越来越多的此类机器人。 爬壁机器人的研究重点是如何使机器人成功的吸附在壁面及在壁面稳定的行走，又如何自由的避开障碍物等问题。 从目前国内外的相关文献中查看，总的来说，爬壁机器人的吸附方式 有许多 。但是这几种吸附方式都是各有优缺点。对于真空吸附而言，它不会受吸附壁面的材料所限，不管是什么样的壁面材料，真空
26、吸附方式的爬壁机器人都是可以吸附的，但是真空吸附的缺点又是显而易见的 ，那就是，当壁面凹凸不平的时候，真空吸附的吸力就会受到影响，从而它的承载能力就会下降；磁吸附它可以分为两种方式，一种是永磁吸附，另一种是电磁吸附。对于磁吸附而言，他对于壁面的材料是很有约束的，必须是铁磁性材料才可以吸附，这相对于真空吸附而言约束是很大的，但是它也有自己的优点，那就是它的结构简单，吸附力远大于真空吸附，并且对于凹凸不平的壁面它的适应能力是远远好于真空吸附的；气流负压吸附的原理则是根据靠螺旋桨产生的气流负压力的壁面法向分量将机器人压在壁面上，这种方式的吸附的最大优势就在于它的吸附大小可以控制，但 是它的运动精度以及吸附的稳定性是有限的 6。 法国的 BK 型、瑞典的曲雷尔和澳大利亚的 Anstralian 型的结构均采用了水下运载工具的设计原理，使装置紧贴于船舷壳板做垂直或水平爬行，控制箱在工作艇上，遥控操作。它的工作部分由 3 个转刷， 3 个行走轮和 1 个中心推进器构成。动力源是液压或气动 7。
