毕业论文——水下船体清扫机器人设计与实现

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 二 年 月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 I江苏科技大学毕业设计（论文）任务书学院名称： 机电与汽车工程学院 专 业： 机制 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 讲 师 毕业设计（论文）题目：水下船体清扫机器人设计与实现1.课程性质（请在相应的选项上打勾）纵向课题已签约的横向课题未签约的横向课题实验室建设课题模拟性课题学生自选人文课题2.课题类型（请在相应的选项上打勾）工程设计（实践）理论研究实验研究计算机软件设计综合 一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）主要设计内容：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，也污染了环境。因此必须对藤壶等小型水生物进行处理。目前为了清扫船体表面分为化学方法和物理方法，而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，并且当材料溶解完全时，藤壶等水生物又会吸附在船体表面。而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，通过手持清扫器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，而且成本比较高，而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。本设计就是根据这一工程应用需要，设计水下船体清扫机器人，并对其进行优化实现。主要设计内容： 2 主要完成内容（包括应做的实验）1）收集整理目前现有水下船体清扫机器人的有关资料；2）讨论水下船体清扫机器人系统的组成，确定其机械结构及电控系统形式；3）水下船体清扫机器人三维造型及有限元分析，并对各部件进行优化；4）水下船体清扫机器人二维图纸绘制；5）水下船体清扫机器人制作实现。基本设计思路：1）通过查阅资料了解水下船体清扫机器人的研究现状；2）对水下船体清扫机器人的形式进行分析比较；3）水下船体清扫机器人结构三维造型及有限元分析，并对各部件进行优化；4）水下船体清扫机器人二维图纸绘制；5）水下船体清扫机器人制作实现。二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1 毕业设计论文一份（不少于1.5万字）； 2 外文译文一篇（中文不少于3000字）；3. 一套完整的设计图；4. 样机一套。三、完成日期及进度自20 年2月22日起至20 年6月5日,共15周。 进度安排： 2.223.06 搜集资料 3.073.11 结构分析比较，英文翻译，综述 3.123.13 开题答辩 3.144.10 三维造型及结构优化 4.114.20 二维图纸绘制 4.215.20 样机制作 5.215.29 设计说明书 6.3日之前 必须提交论文 6.4 答辩 四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1 袁夫彩;陆念力;王立权水下船体清刷机器人关键技术及其试验的研究J机械设计与研究，2008，1：537-5402任梦鸿.水下船体表面清刷机器人复合吸附方法的研究D.哈尔滨工程大学硕士学位论文，哈尔滨，20093窦京.带缆遥控水下机器人总体设计及流体动力特性研究D.江苏科技大学硕士学位论文，镇江，20144韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用介绍M.北京：北京理工大学出版社，2004：1-365 5王瑞金，张凯， 王刚.Fluent 技术基础与应用实例M. 北京：清华大学出版社， 2007：100-3216张宏，李志刚，赵宏林等.深水海底管道铺管设备技术现状与国产化设想J.石油机械，2008，36（9）：201-2047程耿东关于桁架结构拓扑优化中得奇异最优解J大连理工大学学报，2000，40（4）：379-3828 博弈创作室 编著APDL 参数化有限元分析技术及其应用实例M北京：中国水利水电出版社，2004：149-1549 叶先磊，史亚杰ANSYS 工程分析软件应用实例M北京：清华大学出版社，2003：171-19610基于MATLAB的盘式制动器优化设计J. 机械工程及自动化. 2007，6(12)：158-161.11尚晓江，邱峰，赵海峰ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用M北京：中国水利水电出版社，2008：330-34812王国强机械优化设计M北京：机械工业出版社，2009：2-8 系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管（系）领导： （签章） 年 月 日51江苏科技大学本科毕业设计（论文）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AbstractIn recent years, with the rapid development of marine economy, China has also increased the degree of attention to the development 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 to 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 achieve 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 attachments 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 with 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 system, 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 domestic 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 design of the underwater cleaning robot is analyzed, the adsorption capacity and the adsorption effect are calculated, and the selection of the profile and the motor is analyzed. Using virtual prototype technology, establish sweeping hull robot virtual prototype model, while for joint 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 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 of 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目 录第一章绪论11.1 课题研究背景11.2 国内外研究现状31.3 课题研究的目的与意义41.4 课题研究的主要内容与关键技术51.5 本章小结6第二章水下清扫船体机器人总体方案设计72.1 水下清扫船体机器人设计要求72.2 水下清扫船体机器人的机械系统方案92.2.1 机械系统的设计原则92.2.2 设计方法92.2.3 移动平台方案设计112.2.4 清扫机构方案设计142.3 水下清扫船体机器人的电控系统方案152.3.1 驱动系统的设计思路152.3.2 传感系统的设计思路162.4 本章小结16第三章水下清扫船体机器人移动平台设计183.1 水下清扫船体机器人移动平台分析183.1.2水下清扫船体机器人关键位姿受力分析183.2 水下清扫船体机器人移动平台设计203.2.1 履带吸附结构233.2.2 负载轮结构233.2.3 链轮传动结构233.2.4 履带张紧结构233.3 水下清扫船体机器人移动平台整体搭建243.4 本章小结26第四章水下清扫机器人的清扫系统设计274.1 水下清扫船体机器人清扫系统设计274.1.1定力矩清扫刀具模块设计.274.1.2外围柔性毛刷清扫设计及整体清扫盘布局.294.2 本章小结30第五章水下清扫机器人电控系统设计315.1 驱动电路分析及设计315.2 控制器的选用325.3本章小结33第六章水下清扫船体机器人样机制作与实验346.1 关键零件的材料选用346.1.1 整体支撑框架铝合金型材的选用356.1.2 履带固定板ABS板356.1.3 PLA3D打印机材料356.1.4 磁轮轴选材碳素杆366.2 移动机构的简化及试制366.3 清扫机构的简化及试制416.3.1简化清扫机构及关键件分析416.3.2 关键件加工仿真及制作416.4 整体装配与实验验证446.5 本章小结.45结 论46致 谢47参考文献48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）船坞清扫船坞清扫是目前清扫质量最好的清扫方式，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，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，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。典型的有英国的SCAMP水下清洗机，它是一种广为使用广泛的水下清洗系统，由美国的巴特沃思系统公司研制，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，1个泵驱动叶轮,另1个泵带动3个牵引轮和清洗刷，牵引力约2040N。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。行走多刷式水下清扫装置：他的工作部分由2个转刷，3个行走轮和1个中心推进器构成。在国内，水下清刷作业自1983年在厦门、天津、秦皇岛、烟台、大连等地建立业务。国内引进的清刷作业设备，主要在夏季水温较高和在海水能见度高的港口才可以使用，有很大的局限性。哈尔滨工业大学从1991年开始研制了检测图层厚度和喷漆防锈的履带式永磁吸附爬壁机器人。上海交通大学从1992年开始研制测量油罐容积的履带式永磁吸附爬壁机器人。目前有哈尔滨工程大学所研制的水下船体表面清刷机器人8-9，这种机器人采用双履带永磁吸附方式吸附在船体的水下部分。它能在不影响船只正常行驶的情况下，利用其头部的钢刷对船体表面锈蚀、吸附的海洋生物等进行清理。1.3 课题研究的目的与意义目前许多港口都设有船坞对于远航而来的船只提供清扫及维修等服务，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，但由于船坞数量有限，而需要清扫的船只数量较大，这带来了许多问题。为了清扫去除船体附着物，避免其对船体航行的不良影响。水下机器人可在船体航行时对船体进行实时清扫，无需停船清扫，同时避免了人工潜水清扫的危险性，是一种长期采用并可以明显控制船体附着物的清扫方式。但由于目前水下清扫船体机器人清扫效率低，且无法对船体一些窄拐角处等曲率小的地方进行清扫，而船体主要的推进装置等结构都是曲率小的部分，只能人工潜水清扫，水下清扫船体机器人的优势无法体现，仍无法真正得到普及。本课题设计并制作一种可全方位移动并可针对不同附着物进行分级清扫的机器人，实现水下自动清扫船体的功能。1.4 课题研究的主要内容与关键技术围绕水下船体清扫机器人设计与开发，本项目将从以下几个方面开展研究： 移动机构结构设计； 履带吸附装置设计； 清扫盘组装模块化设计； 清扫盘分级清扫结构级传动系统设计； 移动及清扫协调控制系统设计。1）履带行走及吸附结构及方法设计磁轮通过内部润滑轴套和铝棒固定于两个履带节之间，每个履带节中央设计有方形磁铁，提供额外吸附力。在船面上，磁轮吸附于船面，与船面直接接触，方形磁铁与船面略有一定间隙，通过履带的张紧机构的调节，保证了磁轮的滚动平滑性，经试验验证此结构运行可靠，可以提供充足的爬升力和吸附力。单独的履带模块侧向可以自由滑动，其侧向定位由相邻安置的两条履带来提供侧向力还定位，这将是本项目结构研究方面的关键技术之一。2）履带模块交错结构设计履带模块采用彼此交错设计方式，可以根据客户的需求，在设定好中央功能实现机构后，通过履带模块长度的调整，调整其吸附力，顺应不同的工作环境及不同的工作需求，大大提高了其移动机构的通用性，这将是本项目结构研究方面的另一关键技术。3）清扫盘分级清扫系统及方法设计清扫盘分为不同的环形区域，可以根据使用需要组合，针对于水下的藻类附着物，采用最外围毛刷清扫的方式，内环使用定力矩柔性刀具，在清扫藤壶等强力附着物是避免对船体的伤害，这将是本项目控制系统研究方面的关键技术之一。4）水下清扫机器人移动与清扫协调系统设计本项目设计的水下清扫机器人涉及带有人机交互界面的状态监控及功能操作软件，目的是对清扫质量和机体稳定性进行可视化实时监控。同时，交互界面亦可以对工作模型进行设置，并通过串口无线模块实现上位机与下位机之间的信息交互，这将是本项目控制系统研究方面的另一关键技术。1.5 本章小结本章分析了现有清扫船体方式，总结了目前清扫方式的不足，针对下面要改进的方向进行了确定，明确了水下清扫船体机器人的关键技术和主要研究内容。第二章 水下清扫船体机器人总体方案设计2.1 水下清扫船体机器人设计要求水下清扫船体机器人的设计目标是其能够在水下吸附于船体表面（包括各种曲率表面的船体）的同时可以通过其承载的清扫模块，针对于易去除的藻类植物以及藤壶、贝类等难以去除的强力附着物进行分级清扫。它的行为可以通过自主判别进行智能清扫，另外可以通过操作员的远程操控在附着物众多或船体的重要部位进行有针对性的强力清扫。在制定机器人设计方案，需要根据其功能、外形及清扫质量、效率等参数才进行设定。其需要具备的功能如表2-1所示。表2-1 理想状态下的水下清扫船体机器人设计要求功能要求动态性能在负载9-16组清扫机构的同时可以承载其他功能模块。能够耐受水流的冲击，船体的倾斜及震动。1.运动精准，反应较快。2.机构耐冲击，具有良好的电路保护措施。具有良好的清扫、移动协调性，及全方位移动特性。外形最大尺寸应小于船体切线尺寸。吸附船体性能工作范围：适用于不同曲率的船体。信息感知能力1.能够在浑浊的海水中感知清扫质量。2.各项清扫参数的实时监控。路径规划与导航具有自主导航巡回功能，可于船体表面自主定位。目前国内外的水下清扫船体机器人，多采用履带强磁吸附与负压吸附技术相结合，通过负压推进技术保证机器人在下水后可以自主移动吸附于船体表面，另一方面当机器人吸附于船体表面后运用履带强磁吸附保证机体在船体表面的工作稳定性。但仍有诸多不足。一方面，移动机构的履带强磁吸附技术其转向方式为差速转向，此种转向方式在船体表面发生侧向滑移即利用其滑动摩擦来转向。强磁外表面包裹有提高其摩擦系数的橡胶材料，在船体表面的转向具有不稳定性，其吸附能力在转向时会有波动，严重时机体甚至会脱离船体。另一方面，此种转向方式对与一些拐角较大，空间较小的角落无法做到无死角，降低其清扫质量及清扫效率。现有的清扫方式主要分为两种，一是柔性清扫，即利用柔性毛刷多为尼龙材质，清扫机构为圆盘状，在清扫盘上安装有尼龙毛刷，通过紧贴在船体的清扫盘旋转运动来去除附作物。此种方式针对与藻类等易去除的附着物可以得到较好的清扫效果，同时不会在清扫时伤害到船体的保护漆。另一种采用的是刚性清扫方式，大多通过刚性元件撞击难以去除的船体附着物，如藤壶、贝类等。此种方式针对于此类附着物可以做到较好的清扫效果，但目前仍有问题待解决，刚性元件贴近船体表面对于船体凸起的焊缝难以规避，会出现伤害船体的情况，另外对于船体曲率较小的表面无法做到紧贴船体清扫的效果。综合现有的水下清扫船体机器人，提出了机器人移动方面的全方位无死角移动，在清扫船体方面为提高其清扫质量的同时不伤害到船体的理念。为此，产生了一种新型的水下清扫船体机器人方案，也为水下清扫船体机器人提出了更高的要求。其需要具备的要求如表2-2所示。表2-2新型水下清扫船体机器人的设计要求特点移动特性1.具有全方位移动能力；2.突破传统的差速转向方式，具有多角度移动能力，运动更加灵活对船体的影响更小；3.吸附能力优于传统的两条履带吸附方式。清扫特性1.清扫机构运用模块化设计理念，可根据需要进行自由并联；2.清扫盘采用分级清扫，对于不同类型的附作物分别清扫；3.清扫机构对于藻类等以去除附着物还是藤壶、贝类等难去除附着物都能进行无损清扫，清扫效率及质量更好；4.清扫机构动力输出装置输出动力更稳定，具有良好的调节机制。2.2 水下清扫船体机器人的机械系统方案2.2.1 机械系统的设计原则水下清扫船体机器人作为设计对象，其整体机械系统包括：移动平台系统以及清扫系统。展开来看，其移动平台机构由外围履带模块、履带张紧机构、履带承载机构等组成。移动平台通过内部的型材首尾交错连接组成支撑清扫机构的整体架构，并通过便捷的模块化接口，可以自由连接，拓展其清扫模块。另一方面其机械系统包含：支撑整体的框架，即内部支撑架结构；传递力的动力件；传动运动的同步带、齿轮组等；执行清扫的清扫盘；保证机体行进的履带结构。根据对水下清扫船体机器人的分析发现其设计的主要有一下几条原则：1）稳定性。这是产品能够存活的关键所在，是其他功能的基本保障。也是设计最初就要考虑的主要核心。这要求在设计时从机构的基本原理，实施方案，加工策略等方面，完全符合工况和额定寿命角度去设定设计参数。2）实用性。采用可靠，经济的方案进行设计，这不仅降低了成本，也是批量化生产以及未来产业化的重点。3）通用性。包含在功能性方面，这对水下清扫船体机器人提出了更高的要求。功能是产品赢得市场的重要保障，也是彰显了产品优越性的一个重要指标。在已有的水下清扫船体机器人的基础上，改进其不足的同时，在功能性的方面，开创性的提出了通用性的概念。在清扫船体的同时，能过通过模块的自由组合与拼接，拓展其应用领域，也是产品的一大特色。2.2.2设计方法基于上述的三条设计方略，针对于此机器人首先对整体进行模块划分，将整体分为若干子单元，采用模块化设计方式进行设计；另一方面，尽可能采用标准件及各种型材来设计整体机构。1）模块化设计模块化设计方法由来已久，其思路是将产品或总系统作为研究对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定子单元体，考虑到各个子单元体之间的结构相互配合，同时需要功能相互配合。通过各模块的自由组合可以得到不同功能，不同种类的产品，以此满足不同工作中的使用要求。另一方面，各模块之间的互换性好，也方便产品的修理和维护，是一种非常成熟的设计理念。在许多行业中都普遍存在（例如自动化设备、计算机组装。程序编写乃至于库函数本身都是模块化的结晶）。模块化理念在简化产品的设计，降低成本还能缩短产品的研发周期，在机器人产业体系中，随着工业化普及程度的不断提高，模块化的理念也渗透到各行各业。其工作性能及特点集中体现在以下几点：1、各个模块之间运动学及动力学上具有独立性；2、各个模块具有独立的功能，各自完成独自的工作任务，确保工作的稳定性；3、各个模块之间采用自由化通用程度高的接口，机械接口在工作使用中方便快捷，互换性好，方便维修和保养。按照上述原则，可以将水下清扫船体机器人从功能上分为三块结构，移动平台机构和清扫盘机构，以及整体框架（整体承载结构）。移动平台，确保机体可以在船体表面顺滑运动；清扫盘可以针对于不同的附着物进行分类清扫。此两个模块通过承载模块提供的接口进行组合。模块间相互组合，工作相互配合，设计中分开进行设计和装配，通过模块的调整和组合，可以得到适用于不同船体的机器人产品，并且每个模块可以根据需要更换。2）根据标准件及成品部件设计零件及部件此产品的设计采用标准化流程，通过方案的讨论及确定，进行模块化分类后，针对于不同的模块化结构进行分析。基于此种设计方法，有效的降低了研发成本，缩短了开发周期，减少了设计工作量，更提高了产品的性能与稳定性。本设计采用了两种途径展开标准化设计：一、根据已有的设计对其进行改良或重用，简化设计；二、总结此设计的特点，根据此特点提炼其核心结构，在已有的标准化零件库中查找和整理归纳，形成自己的内部标准。如图2-1所示，是已经成型的标准化体系。表2-3为成品零部件选型系列。图2-1 标准化体系表2-3 成品零部件选型系列功能模块可供选择的成品零部件履带驱动直流有刷电机与行星齿轮减速器清扫盘传动标准同步齿形带清扫盘标准环形尼龙毛刷履带连接件标准12A侧链板整机机架标准铝合金方管2.2.3 移动平台方案设计移动机构是机器人构成的基础，是机器人工作的基本保障。在水下清扫船体机器人上，其更是机器人的重点所在，移动机构的吸附能力和吸附效果直接关系到了机器人能否胜任清扫工作，另一方面其运动的灵敏性和灵活性影响了清扫质量。从机器人移动机构的特点入手，其主要有轮式、足式、履带式以及各种复合式。目前已有的水下清扫船体机器人采用的移动方式主要有：强磁吸附履带式、负压推进式、永磁吸盘吸附式、集群式等。强磁吸附履带式现有的结构是在两条平行履带上分别安置有多块强力永磁铁，通过强力永磁铁对船体的吸附保持机器人于船体表面行进。但其转向仍采用传统的差速转向原理，针对曲率较小，需要多次转向的清扫角落无法进入。负压推进式只要用水下推进装置，通过负压将机器人机体压于船体表面会发生滑移等问题，导致其无法平稳的吸附于船体，效果不佳。永磁吸盘式承载能力不足，且针对于满是藤壶、贝类等附作物密集的船体表面无法做到有效吸附。集群式，是通过机器人机体上的多个子单元及小型吸附单元吸附于船体，间接的将机器人主体吸附于船体，此种方式开发成本高，且维护不便，在小型船体上无法普及，不被广泛采用。水下清扫船体机器人移动平台的设计目标是其能够在水下吸附于船体表面（各种曲率表面的船体），能够在船航行时在有水流冲击的情况下仍然可以在船体表面自如的行进。他的行进可以由操作人员控制另外也可以通过设置其工作模式，采用自主智能工作模式。其移动平台具有良好的模块化接口和负载能力，可以在各种环境中执行任务。在制定设计目标时常根据船体表面材料，粗糙度，清扫效率等要素提出机器人的设计参数。根据水下清扫船体的需要，采用强磁吸附技术，为了使更多的磁铁吸附于船体表面，保障其工作稳定性，采用履带四面包围结构，如图2-2所示。图2-2 水下清扫船体机器人履带包裹方案从增强吸附能力角度考虑而提出的四条履带包围模式，此种模式的难点在于采用方形磁铁在机器人吸附于船体表面沿着X方向前进时，受前后两条1、3履带上方形磁铁吸附作用的影响，其X方向的运动受阻。同样，当机器人在船体表面沿着Y方向行进时，受左右两条2,4履带阻力的影响，其无法再Y方向上行进。由此，一种新型的履带吸附结构被提出，如图2-3所示。图2-3 新型水下清扫船体机器人履带吸附方案采用磁轮吸附设计方案，其优点较为明显。磁轮吸附方式在机器人沿着X方向进行时，1,3履带上的磁轮通过自身的转动避免了1,3履带对于2,4履带行进的阻碍作用，而2,4履带上的磁轮在行进时，安装于其上的磁轮没有转动趋势，不会进行Y方向的滑移，其Y方向的运动被1,3履带上的磁轮所限制，及利用了磁轮限制了其自身轴向方向的运动。通过这一原理设计了此方案。此种结构可以在平面上进行全方位移动，抛弃了传统的履带差速转向方式，从根本上解决了水下清扫船体机器人在船面上的无死角移动。其不足在于磁轮与船体的接触为线接触，此种方式吸附效果不佳，需要额外补偿，为此对上一磁轮方案进行了改进。通过两角度，一方面，增加吸附磁轮的数量，由磁轮的吸附特性得知，其吸附力的大小随着与被吸附物的距离增大而极具减小。即当磁轮接触船体表面时吸附力最强。而现有的水下清扫机器人其吸附磁铁外围也包裹了增大其摩擦系数的橡胶材料，吸附效果也非最佳状态。单方面增加磁轮的数量可以增强其机体的吸附力。另一方面，吸取现有水下清扫机器人的优点，在各履带模块上另外安置有方形磁铁吸附单元。为了避免其对船体的强力吸附影响机体在船体表面的全方位移动，在磁轮吸附于船体表面的基础上。方形磁铁距离船体表面1-2mm。同时对磁轮转动的灵活度提出了更高的要求。通过这种方式完全实现了移动机构的全方位移动。为水下机器人的清扫工作提供了基本保障。2.2.4 清扫机构方案设计清扫机构是水下清扫机器人的核心，根据目前已有的清扫结构来看，主要有：刚性清扫方式和柔性清扫方式。刚性清扫方式如图2-4所示。图2-4 现有刚性清扫方式现有的刚性清扫方式，从图2-4可以看出，其通过外围刚性刀片2的快速旋转来撞击藤壶等强力附着物将之去除，但针对船体自身突起的焊缝等难以进行有效规避。这损伤刀具的同时给船身带来了不可避免的伤害，对于用户而言是难以接受的。如图2-5展示的柔性清扫方式，此种方式只能对藻类等易去除的附着物进行有效的清扫，无法对藤壶、贝类等附着物进行有效清扫。综合已有的两种清扫方式的优弊，本文设计的水下清扫船体机器人的清扫机构，采用模块化设计理念，在局部的设计中将此理念融入设计细节。图2-5 现有柔性清扫方式此清扫机构本身又根据其功能分为三部分。外环柔性尼龙毛刷，内辐条定力矩清扫刷刀具，传动连接轴。如图2-6所示。图2-6 模块化清扫刷盘其外环柔性毛刷在遇到藻类等易去除的附着物时，可以轻松的将藻类等刷掉。随着清扫盘的逐渐推进，藤壶表面经过毛刷的简单清扫后，由定力矩从藤壶侧面，将藤壶冲击撞击离开。从三方面避免了和船体的刚性接触，一方面定力矩刀具在毛刷接触船体的基础上，距离船体2-3mm，有一定的间隙余量；另一方面，刀具采用定力矩设计方式，在冲击到船体的时候，设定的冲击力较大时，刀具回弹从一定程度上避免了全刚性冲击；最后，刀具材料方面，其强度介于藤壶、贝类等强力附着物与船体之间。通过以上三种方法，多方面配合完善其清扫质量。其内辐条结构根据流体力学分析设计为曲线型，在清扫船体的同时将清理残渣通过自身负压冲出清扫区域，也提供了一部分船体附着力，是一种综合性设计方案。2.3 水下清扫船体机器人的电控系统方案2.3.1 驱动系统的设计思路水下清扫船体机器人动力分别有：四个减速直流有刷电机提供驱动履带前行动力，另外一到两个大扭矩直流无刷电机提供驱动清扫转盘的转动力。运用直流电机驱动器进行分别控制。为了确保控制精度，避免外界信号干扰，采用光电耦合，将控制信号与驱动电路分开设计。2.3.2 传感系统的设计思路针对水下清扫船体机器人特点及应用领域，从安全、工作效率、工作稳定性等角度去考虑