1、I 江苏科技大学本科毕业论文 水下船体清扫机器人用磁轮吸附行走机构设计 Design of magnetic wheel adsorption walking mechanism for underwater hull cleaning robot 江苏科技大学本科毕业设计（论文） II 摘 要 水下清扫机器人是为了能够实现全自动化的进行船体表面的清扫工作，这样既可以节省了大量的劳动力，降低了水下工作的劳动强度，同时也可以提高工作的效率，节省了额外的能源消耗。 本文主要是介绍了水下清扫机器人 的行走机构。论文首先是对研究水下清扫机器人的意义做了阐述，然后是对国内外目前行走机构采用的几种情况做了
2、介绍，接下来就是对 水下船体清扫机器人用磁轮吸附行走机构 的 设计 。行走机构主要包含了五个部分，分别为 吸附机构、传动机构、承载机构、张紧机构和驱动机构。水下清扫机器人最重要的部分就是吸附 机构。 我们采用永磁吸附，保证足够 的磁吸附力。 接着 就是对其进行详细的水下受力 分析。 计算出关于磁吸附力和电机扭矩的关系式。最后对两个重要部位 采用 SolidWorks 进行有限元分析，校核是否满足强度和刚度要求。 关键词： 水下清扫机器人；船体表面；行走机构；磁吸附力；有限元分析 江苏科技大学本科毕业设计（论文） III Abstract Underwater cleaning robot is
3、 to be able to achieve the full automation of the cleaning work of the hull surface, this will not only save a lot of labor, reduce the labor intensity of underwater work, but also can improve the efficiency of work, saving the additional energy consumption. This paper mainly introduces the walking
4、mechanism of the underwater cleaning robot. First of all, the thesis on the study of underwater cleaning robot are described, and then at home and abroad on the walking mechanism adopts several situations is introduced, next is the design of the magnetic wheel adsorption walking mechanism for the un
5、derwater hull cleaning robot. The walking mechanism mainly consists of five parts, which are the adsorption mechanism, the transmission mechanism, the bearing mechanism, the tensioning mechanism and the driving mechanism. The most important part of the underwater cleaning robot is the adsorption mec
6、hanism. We adopt permanent magnetic adsorption to ensure enough magnetic adsorption force. The next step is to carry out a detailed analysis of the underwater force. Calculation of the relationship about the magnetic force and the torque of the motor. Finally, the finite element analysis is carried
7、out on two important parts using SolidWorks, Check whether the strength and stiffness requirements are met. Keywords: underwater cleaning robot； hull surface； walking mechanism； magnetic adsorption force; finite element analysis I 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题的背景、研究目的及研究意义 . 1 1.1.1 课题的背景 . 1 1.1.1.1 海洋附着物
8、. 1 1.1.1.2 海洋生物附着物附着的原因 . 2 1.1.2 课题的研究目的 . 3 1.1.3 课题的研究意义 . 3 1.2 课题相关技术及国内外研究现状 . 4 1.2.1 课题研究的国内外现状 . 4 1.2.2 国内外机器人 行走机构 . 4 1.2.3 国内外机器人清扫机构 . 7 1.3 本文的主要研究内 容 . 9 第二章 清刷机器人行走机构的本体设计 . 10 2.1 引言 . 10 2.2 行走机构的工作原理 . 11 2.3 行走机构的组成 . 11 2.3.1 吸附机构 . 11 2.3.2 传动机构 . 12 2.3.3 承载机构 . 12 2.3.4 张紧机
9、构 . 13 2.3.5 驱动机构 . 13 2.4 本章小结 . 14 第三章 行走机构的受力分析 . 15 3.1 引言 . 15 3.2 清扫机器人行走机构的受力分析 . 15 3.3 特殊工作状态下的受力分析 . 15 3.3.1 静态特殊工作状态下的受力分析 . 15 3.3.2 动态特殊工作状态下的受力分析 . 18 3.4 一般工作 状态下的受力分析 . 21 江苏科技大学本科毕业设计（论文） II 3.5 行走机构减速器步进电机的选型 . 23 3.6 本章小结 . 24 第四章 行走机构的有限元分析 . 25 4.1 引言 . 25 4.2 清扫机器人行走机构的有限元分析 .
10、 25 4.3 清扫机构 的电机承重板的有限元分析 . 25 4.4 行走机构支架部分的有限元分析 . 28 4.4.1 支撑抗倾覆机构的支架部分有限元分析 . 28 4.4.2 支 撑电机承重板的支架部分有限元分析 . 31 4.5 本章小结 . 34 结 论 . 35 致 谢 . 36 参 考 文 献 . 37 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 课题的背景、研究目的及研究意义 1.1.1 课题的背景 伴随着海洋经济发展，我国也加大了对海洋的重视程度，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，海藻等。藤壶吸附在船
11、体表面会导致轮船在行驶过程中阻力增大，增加轮船在行驶时的油耗 1， 同时 也污染了环境 ，如下图 1.1 所示 。因此 我们 必须 想办法 对藤壶 、海藻等小型 船体附着物 进行 相关的清扫 处理 。 图 1.1 船舶表面附着情况 1.1.1.1 海洋附着物 随着对海 洋 的开发和利用，特别是第二次世界大战期间由于战舰防污的需要，人们对生物污着的研究逐步地开展起来。美国 1952 年出版的海洋污着生物及其防除一书，奠定了海洋污着生物研究的基础其后 ,各国相继进行了大量的污着生物调查和研究。 1972 年苏联出版的苏联各海的污着生物和 1984 年中国出版的海洋污损生物及其防除（上册）等著作，反
12、映了 60 年代以来的新成果。 海洋 附着 生物 是附 着在船底和其他海中设施表面上的海洋生物，也称为海洋附着生物和海洋污损生物。这类生物一般是有害的，且附着在人工设施的表面上，不同于海洋岩礁上的固着生物以及养殖的贝、藻类和钻孔生物。 至 1947 年，世界已经记录约有 2000 种海洋污着生物。目前，估计已发现有 4000 5000 种，在中国沿岸已经记录有 650 种左右 2。这些种类分别隶属于海洋菌类、藻类以及海洋动物的各个主要门类。 海洋生物的附着过程是及其复杂的，但是我们通过研究它的附着过程以及原因，江苏科技大学本科毕业设计（论文） 2 我们可以很好的采取措施，针对其根本，对附着物进
13、行处理。大体来讲，海洋附着的过程分为四个阶段 2，如下图 1.2 所示 ： 图 1.2 海洋附着物附着过程 海洋 附着物的附着过程虽然分为四个阶段，但是合适的生存条件是必不可少的。贝壳类海洋生物一般附着是最牢固的，因为当贝壳类生物第一代死亡之后，第二代便可以继续在它的贝壳上繁衍，经过一段时间之后，船体的贝壳类附着物机会越来越多，从而导致船体重量加重，影响船舶的航行速度。 1.1.1.2 海洋生物附着物附着的原因 海洋船体被附着一直都是一个老问题，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。而大致的原因有： 1、 水下船体
14、的防污漆大多是自抛光漆 。船舶在航行时，水流不断的冲刷，速度越快，相对的水流越快，则船体表面就越光滑，附着物就越不容易扶着，但是当船速下降之后，附着物就会很容易附着，而对于漂航、抛锚船舶的船体，这种问题就更加的严重。 2、船舶进厂进行维修的时候，船舶表面喷砂不够光洁，油漆表面局部粗糙不够均匀，再者，由于水下线船体部分防污漆受损，部分船体生锈从而更加的容易使海洋附着物附着。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 3 3、防污漆的质量问题，有效期较短或者防污漆失效。 4、船舶大部分时间在大海中航行，很少有时间在淡水区航行。 海洋生物附着物会增加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
15、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。 1.1.2 课题的研究目的 为了降低甚至消除海洋附着物对于海洋船体的影响，可以设计相关的机构在船体表面行走，对船体表面的附着物进行清扫
16、，但是如果采用人工进行清扫则会显得麻烦，而且相当的不方便，所以课题研究的目的就是采用自动的机器人对船体表面能够随时进行清扫，降低甚至消除船体附着物对于船舶的损害及影响 。 1.1.3 课题的研究意义 很多港口都有提供专门的水下清扫服务，当船舶在抛锚停港的时候，利用这种时机对船体表面进行清扫，从而减小船舶运行阻力 ，提高运行速度，降低能耗，提高燃油的经济性，并且这一措施取得了良好的经济效益。 目前为了清扫船体表面分为化学方法和物理方法。 化学方法一般为通过研制一些特殊的材料或者物质来驱赶藤壶，不过由于材料的磨损和溶解导致海水被污染，同时有可能也会对船舶表面有一定的影响，并且当材料溶解完全时，又不
17、可能及时的补充这些化学材料，那么藤壶等水生物将又会吸附在船体表面。 物理方法则为通过一些清扫机构在船体表面进行船体表面的清扫，以达到船体表面的清扫作用。而通过清扫机构清扫有两种，一种为人工方式，通过手持清扫机构在船体表面进行清扫，另一种则是通过自动清扫机构进行清扫，人工进行船体表面清扫效率不高，又不能及时 的进行清扫，而且成本比较高。自动清扫机构则可以提高工作效率，并且清扫的成本会非常低。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 4 本设计就是根据这一工程应用需要，设计 一个 水下船体清扫机器人磁轮吸附行走机构，并对其进行优化实现。 1.2 课题相关技术及国内外研究现状 1.2.1 课题研究 的 国
18、内外现状 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。从相关文献查看可以得知， 日本 3-8在这方面还是比较突出的，美国 9、10、英国 11-13、法国 14、意大利 15-17、西班牙 18、 19、澳大利亚 20也不断的深入研究。而国内相对落后，目前只有北京航空航天大学 21、哈尔冰工业大学 22、上海大学 23-25、上海交通大学 26-28等高校在研发。 爬壁机器人的研究重点自然是在爬壁，如何使机器
19、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等问题都是研究的重点。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大概有真空吸附、磁吸附和气流负压吸附等几类吸附方式。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
20、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。 1.2.2 国内外机器人行走 机构 就国内外的情况看来，目前采用磁吸附方式的爬壁机器人大约有 四 种，分别是多足步行 式、吸盘式、 履带式 、群集型 。而这 四 种方式则是各有千秋。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 5 (1) 多足步行式 多足步行式爬壁机器人是
21、由日本研发的具有内力补偿磁力吸附机构 的 机器人，它具有六个磁力吸附机构，它们可以靠自身产生强大的吸力，同时即便产生很大的吸力它也可以很容易的吸附和脱离钢制的壁面。 这种爬壁机器人的重量大约是 60kg， 结构大致约为 700*700*300（ mm） ,最大移动速度可达 100mm/s。 如下图 1.3 所示 29: 图 1.3 多足步行式 (2) 吸盘式 这种方式的机器人可以通过永磁式吸盘的方式来实现在油罐和船体表面等磁导体上面行走。这种机器人的高度大约是 0.6m， 重量达 25kg， 承载能力大约可达 10kg，最大移动速度是 0.1m/s。 如下图 1.4 所示 30: 图 1.4 吸盘式
