毕业论文——水下船体清扫机器人用磁轮吸附行走机构设计

江苏科技大学本科毕业设计（论文）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江苏科技大学毕业论文（设计）任务书学 院：机电与汽车工程学院 专 业： 机制 学 号： 姓 名： 指导教师： 职 称： 20 年 12 月 10 日 毕业设计（论文）题目： 水下船体清扫机器人用磁轮吸附行走机构设计 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磁轮吸附行走机构，并对其进行优化实现。主要设计内容：（） 收集整理目前现有水下船体清扫机器人及其磁轮吸附行走机构的有关资料；（） 讨论水下船体清扫机器人系统的组成，确定其磁轮吸附行走机构结构形式；（） 水下船体清扫机器人磁轮吸附行走机构三维造型及有限元分析，并对各部件进行优化；（） 水下船体清扫机器人磁轮吸附行走机构二维图纸绘制。基本设计思路：（） 通过查阅资料了解水下船体清扫机器人及其磁轮吸附行走机构的研究现状；（） 对水下船体清扫机器人及其磁轮吸附行走机构形式进行分析比较；（） 水下船体清扫机器人磁轮吸附行走机构三维造型及有限元分析，并对各部件进行优化；（） 水下船体清扫机器人磁轮吸附行走机构二维图纸绘制。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。三、完成日期及进度自20 年2月29日起至20 年6月1日止进度安排：2.293.10 搜集资料3.113.20 结构分析比较，英文翻译，综述3.214.1 开题报告及中期检查4.24.20 三维造型及结构优化4.215.20 二维图纸绘制5.215.29 设计说明书6.1日之前 必须提交论文6.4日 答辩四、同组设计者（若无则留空）： 五、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 学院主管领导： （签章） 年 月 日摘 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AbstractUnderwater cleaning robot is 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 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 underwater 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 mechanism. 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 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 analysis40目 录第一章 绪论11.1 课题的背景、研究目的及研究意义11.1.1 课题的背景11.1.1.1海洋附着物11.1.1.2海洋生物附着物附着的原因21.1.2 课题的研究目的31.1.3课题的研究意义31.2 课题相关技术及国内外研究现状41.2.1课题研究的国内外现状41.2.2 国内外机器人行走机构41.2.3 国内外机器人清扫机构71.3 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102.1 引言.102.2 行走机构的工作原理112.3 行走机构的组成112.3.1 吸附机构112.3.2 传动机构122.3.3 承载机构122.3.4 张紧机构132.3.5驱动机构132.4 本章小结14第三章 行走机构的受力分析153.1 引言.153.2 清扫机器人行走机构的受力分析153.3 特殊工作状态下的受力分析153.3.1 静态特殊工作状态下的受力分析153.3.2 动态特殊工作状态下的受力分析183.4 一般工作状态下的受力分析213.5 行走机构减速器步进电机的选型233.6 本章小结24第四章 行走机构的有限元分析254.1 引言.254.2 清扫机器人行走机构的有限元分析254.3 清扫机构的电机承重板的有限元分析254.4行走机构支架部分的有限元分析284.4.1支撑抗倾覆机构的支架部分有限元分析284.4.2支撑电机承重板的支架部分有限元分析314.5 本章小结34结 论35致 谢36参 考 文 献37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40005000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，我们可以很好的采取措施，针对其根本，对附着物进行处理。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。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，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。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。(1) 多足步行式多足步行式爬壁机器人是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(3) 履带式履带式爬壁机器人已经有应用，清华大学所使用的油罐检测爬壁机器人就是使用的履带式，这个机器人的两侧履带都装有36块永磁铁，并且同时保证每时每刻有12块吸盘与壁面可靠吸附。该机器人的承载能力可达到20kg以上，最大移动的速度可达8m/min。如下图1.5所示31。图1.5 履带式这些方式的爬壁机器人对于研究船体清扫机器人的行走都是有重大的意义的，它为我们研究机器人的行走机构是具有指导性作用的。(4) 群集型该系统主要是由两个（或多个）机器人组成，它的最大的特点就是有效负载大，移动速度快。如下图1.6所示3：图1.6 群集型1.2.3 国内外机器人清扫机构从目前而言，国内外主要的清扫有两种，一种是坞内清刷，另一种是水下清刷，这两种清刷技术各有优点，同时也存在着缺点。(1) 坞内清刷技术坞内清刷技术主要就是在船坞里进行船体的喷砂以及高压水清洗。1、喷砂清理技术：喷砂清理技术是以压缩空气为动力，然后将磨料以一定的速度喷向被处理的船体表面，用这种方法出去氧化皮、铁锈以及海生物污染等。但是绝大多数的喷砂处理都是需要工人处理的，因此喷砂的灰尘、噪音等都会具有一定的危险性，但是随着技术的改进，这些问题一定也会得到解决的。如下图1.7所示：图1.7 喷砂清理技术2、高压水清洗技术：高压水清洗技术是一种既经济又环保的船体表面清理手段，它在海洋工程方面已经被广泛的使用了。它可以清理掉表面的灰尘以及一些污垢，同时又不用担心会把那些涂膜冲坏，但是它的缺点也是很明显的，那就是当船体表面的附着物为海蛎等贝类的时候，它是不容易清理掉的。如下图1.8所示：图1.8 高压水清洗技术存在的问题：不管是喷砂技术还是高压水清理技术，都需要船舶进入船坞内才可以进行，因此这就会增加了船舶的停航损失，同时，这也会于我国的船坞严重不足相矛盾，因此赶紧研制出与我国情况相符的水下清刷技术迫在眉睫。(2)水下清刷技术就目前而言，潜水员携带水下清扫装置完成船体表面清理的居多，但是国外在这项技术上面已经是相当的成熟了。目前的水下清刷装置的动力源一般为液压或者气动，潜水员会拿着清刷装置利用转刷产生负压使装置紧贴船体表面，然后潜水员再推着装置往前行进，从而完成清刷工作。水下清刷装置大致分为单刷、双刷和三刷三种，这三种装置各有各的优缺点。其中单刷质量小、操作灵活，不受船体表面形状的影响，但是它的工作效率比较低，而双刷和三刷的工作效率就会比较高。但是在真正的工作的时候，三种刷都会混合使用，从而达到最高的效率。国外已经有了这些清扫装置，如图1.9分别是UMC公司的Mini Pamper Vehicle、Subsea Industries公司的M311、Armada Systems公司的TS-T15 HB以及Sea and Land Technologies公司的Hull Cleaner。图1.9 各公司清扫装置存在的问题：手动清刷过程，潜水员的工作强度非常的大，并且工作环境也是非常的差，随着科技的进步，一些水下清扫机器人孕育而出，他们能够在能见度极低的情况下工作，但是他们的缺点也是很明显的，那就是它的运动精度很低，在船体表面曲度非常大的情况下，仍然需要潜水员去纠正才能够正常的完成作业。1.3 本文的主要研究内容本论文的主要目的是对水下清扫机器人进行磁轮式行走机构的设计，并对其进行优化。主要完成以下工作：（1）通过查阅相关的书籍，借阅图书馆等方式，认真阅读相关的论文，并且了解相关的专利里，然后收集整理现有的水下船体清扫机器人及其磁轮吸附行走机构的有关资料；（2）讨论水线以下的船体清扫机器人系统的组成，确定其磁轮吸附行走机构结构形式；（3）水下船体清扫机器人磁轮吸附行走机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磁轮吸附行走机构二维图纸绘制。第二章 清刷机器人行走机构的本体设计2.1 引言清刷机器人是在水下船体表面进行清刷工作，因此其行走机构是吸附在船体表面的，所以如何使清刷机器人吸附在船体表面并且能够自由的行走而不受水下各种力以及焊缝等因素对其的影响是重点研究的。考虑到船体是有曲面组成，有一定的弧度，所以需要足够的磁吸力来使行走机构以及机器人本身吸附在船体表面，因此我们选择永磁体作为吸附机构，同时在履带的中间安放磁轮，从而保证有足够的磁吸力使清刷机器人吸附在船体表面。在水下，主要考虑机器人受到的力有重力、浮力、机器人和船体表面的摩擦力、水动力以及电机的驱动力，因此，我们需要建立力学模型，通过分析清刷机器人在静止和动态两种情况下所需要的力及力矩的运动规律，从而计算出单个永磁体所需的最小磁吸附力和驱动履带行走的步进电机的参数。考虑到清刷机器人是在水下船体表面工作的，所以因使其结构尽量的简单，因此行走机构的大体结构组成有：吸附机构、传动机构、承载机构、张紧机构、驱动机构等组成。其三维图和二维平面图分别如下图2.1和2.2所示：图2.1 清刷机器人的行走机构三维图1.链轮 2.链条 3.承载机构 4.张紧机构 5.永磁铁块 6.磁轮 7.驱动机构图2.2 清刷机器人的行走机构二维图2.2 行走机构的工作原理清刷机器人的行走机构主要是由两条相同的履带组成，每条履带由一个步进电机控制，工作时只两条履带同时工作，通过控制两个步进电机的转速相同与不同，这样便可以实现机器人的直线与转弯。行走主要通过链轮传动的形式进行，电机通过链轮带动履带行走，从而实现行走机构的行走。履带上面装有永磁体块和磁轮，用于实现吸附的功能。清刷机器人上面的张紧机构用于防止链轮与链条不紧密接触。2.3 行走机构的组成2.3.1 吸附机构吸附机构是整个行走机构的重中之重，因为我们首先要做的事情就是将吸附机构要吸附在水下船体表面，这样清刷机器人才可以完成船体表面的清刷工作。吸附机构是通过链条上面的永磁铁块（如图2.3所示）和磁轮（如图2.4所示）的吸附力吸附在船体表面的。每个永磁铁块安装在每个链节的中间部位，通过螺钉将永磁铁块与链节相连接。磁轮则安装在每两个链节连接的轴的中间。由于考虑到如果使永磁铁块与船体表面直接接触，那么在铁块与船体表面脱离和吸附的循环过程中会不断的发生碰撞，这样不仅会使永磁铁块受到损失，同时，时间长久之后也会使船体表面受损，因此我们让磁轮与船体表面直接接触，而永磁铁块不与船体表面直接接触，这样既可以保证磁吸附力足够大，也可以减少磁块与船体表面的直接接触碰撞的过程中的产生的损害。每条履带上面安装48个永磁铁块，每两个链节连接的轴的中间安装两个磁轮。永磁铁块选择永磁材料钕铁硼，因为它是目前磁性最强的磁性材料，这样可以保证清刷机器人能够有足够的吸力吸附在船体表面。 图2.3 永磁铁块 图2.4 磁轮2.3.2 传动机构相比于吸附机构，传动机构也是相当的重要，因为只有将动力传到清扫机器人上面，机器人才能够行走，才能够进行清扫。考虑到清扫机器人是在水下进行清扫工作，水下的环境比较恶劣，以及它的传动性能效率，我们选择的传动方式是链传动。链传动主要是由链条和主、从动链轮组成，利用链轮轮齿和链条链节的啮合来完成运动和动力的传递。2.3.3 承载机构承载机构是用来承载整个水下清扫机器人的重量。承载机构不仅是要用来承载行走机构中的大部分重量，它还要用来承载清扫机构的重要，因此承载机构是比较重要的，它是整个清扫机器人的主体。承载机构上面有一个负载轮轴承（如图2.5所示），它的作用是，在清扫机器人进行清扫的时候，它在行走过程中船体表面可能会有一些障碍物，当机器人走过它的时候，履带会被障碍物顶起，如果顶起的高度比较高的话可能会因为吸力不够导致清扫机器人掉落，因此这个负载轮会给履带一个支撑力，这样不至于让履带被障碍物顶起的过高，可以减小机器人因为这种原因而掉落的可能性。图2.5 承载机构2.3.4 张紧机构张紧机构是用来张紧从动链轮和链条的，这样可以防止链轮与链条没有紧密的接触。通过控制螺母（如图2.6所示）的向前向后来实现张紧机构的张紧作用。图2.6 张紧机构2.3.5驱动机构驱动机构就是给清扫机器人提供足够的动力使清扫机器人在水下船体表面行走。行走机构采用步进式电机驱动，在履带的左右两个驱动链轮内侧分别分布一个步进式电机，实行单独控制，步进式电机体积小、功率大，可以在为行走机构提供足够的转矩的同时节省空间。通过驱动器控制步进式电机的转动，可以在不同的工作状况下提供所需要的转速和转矩，大大提高清扫机的实用性。由于左右电机是单独控制，因此可以控制两个电机的转速，从而实现左右驱动链轮的差速转向,如图2.7所示。图2.7 驱动机构2.4 本章小结本章主要对清扫机器人的整体结构做了一个简单的介绍，主要包括吸附机构、传动机构、承载机构、张紧机构、驱动机构五个主要的机构。永磁铁块和履带行走的方式是水下清扫机器人的主体，可以保证有足够的吸力使清扫机器人吸附在船体表面上，并且有一定的越障能力。第三章 行走机构的受力分析3.1 引言水下清扫机器人作为水下清扫的载体，必须要拥有足够的磁吸附力使其吸附在船体表面，以及提供足够的扭矩驱动链轮来使清扫机器人在船体表面进行行走。因此本章主要对行走机构进行受力，使其满足一定的条件，让清扫机器人能够正常工作。3.2 清扫机器人行走机构的受力分析清扫机在实施水下清扫作业时，受到复杂的环境荷载、工作荷载及内力的作用。在这些荷载的联合作用下，必须保证其稳定性。因此，有必要在设计阶段对其受力进行分析，用来确定其正常工作所需要的牵引力和磁吸附力。清扫机器人在船体表面工作的时候会有两种状态，一种状态是清扫机器人停留在船体表面不工作的时候，这种情况之下，我们应该防止三种情况发生，分别是清扫机器人会发生滑落、发生倾覆以及发生滚动；另一种状态是清扫机器人在船体表面行走的时候，这种情况下我们也应该讨论清扫机器人在两种行走状态下的受力状况，分别是清扫机器人从上往下行走以及从下往上走。以上两种情况都是在静态以及动态情况下的特殊运动状态，还有一般运动状态，即沿船舶表面同一直线的行走状态。下面我们将逐步对这几种状态下的各种情况进行受力分析。3.3 特殊工作状态下的受力分析3.3.1静态特殊工作状态下的受力分析清扫机器人在不行走的时候，由于船体表面是一个曲面，故在有限的长度里取船体表面的一部分，可以将其看成是直线的，所以吸附在船体表面上与水平方向的夹角在0至90内变化。由于清扫机整体结构左右对称，因此简化分析履带的一侧。在水下的时候，水下清扫机器人主要受到的力有永磁铁块的磁吸附力、水下清扫机器人与船体表面的摩擦力、水下清扫机器人的自身重力和浮力、船体表面对清扫机器人的支持力、水流对清扫机器人的负压力、步进电机的驱动转矩等。清扫机器人在不行走，静止在船体表面时的受力状况如下图3.1所示：图3.1 行走机构静态特殊工作状态下的受力图其中：a.船壁示意图；H.清扫机器人重心高度；h.重心与履带中心线的垂直距离；A.清扫机器人的倾覆支点；L.A点与重心线的垂直距离；.清扫机器人倾斜角度；G.清扫机器人的总重力（包括抗倾覆机构）的一半与浮力之和；F.该侧与船壁吸附的磁体产生的总磁力；f.履带与壁面的最大静摩擦力；N.船壁对清扫机器人的支持力；M.步进电机的保持转矩；r.驱动轮半径；Fa.水流对清扫机器人的负压力。水下清扫机器人在船体表面不行走，停留的时候，主要考虑到它会发生滑落、倾覆以及滚动的情况，所以应该通过对这三种情况下的受力分析来决定单个永磁铁块的磁吸力，以及步进电机应该提供的转矩。下面将会对这三种情况分别进行受力分析，确定磁吸力及步进电机的转矩。（a）防止滑落的受力分析因为存在F和M两个变量，所以在分析时需对其进行控制。分析防滑落时，令M足够大的，即步进电机能够提供足够大的保持转矩保证驱动轮在受外力矩作用下不发生转动，同时简化力学模型，将与船壁接触的永磁铁块的总的磁吸浮力等效为作用在履带中心的集中作用力F，同时将履带与船壁的摩擦力f定义为最大静摩擦力。只要摩擦力f不小于重力G在平行于船壁a方向的分力，以及磁吸力F不小于重力G在垂直于船壁a方向的分力以及水负压力Fa，则可以通过该临界值得出永磁磁铁所需要的磁吸附力F。按照平行于船壁表面方向的受力平衡要求，可以得出清扫机器人在船体表面不发生滑落的条件是： (3-1)表示的是水的负压力，它的表达式为。其中是船舶所在的水域的密度；是水流的速度。就是船体表面与清扫机器人的摩擦系数与清扫机器人对船体表面的正压力的乘积，它的表达式为。根据上面已有的公式，我们可以求出关于的不等式，即可以求出的临界值： (3-2)(b)防止倾覆的受力分析水下清扫机器人发生倾覆失效时的临界状态为清扫机大部分脱离船壁。在清扫机器人在船体表面行走的时候会遇到船体表面的焊缝，或者是残留在船体表面的水藻贝壳等等，当经过这些障碍物的时候，机器人可能会以这些障碍物为一个支点发生翻转的现象，即发生倾覆的情况。现在以最下方从动轮与船壁的接触点为支点的状态，定义这一支点为A,并对A取矩，同样因为有两个变量和，因此要保证足够大，使驱动轮在外力矩的作用下不会发生转动。对图3.1所示的情况进行受力分析，则清扫机器人不发生倾覆的条件为： (3-3)根据上面的不等式我们可以求出关于的不等式，即的临界值： （3-4）(c)防止滚动的受力分析因为清扫机器人是在船体表面工作的，而工作的表面是始终在0至90内变化的，所以有可能会发生清扫机器人会沿着船壁向下发生滚动的情况。在分析清扫机器人在静态下滚动失效时，同时也会有两个变量和，所以应该也要排除控制的其他两种失效情况的影响，即吸附力应该足够大，磁铁能够提供足够大的吸附力以及平行于船壁的摩擦力使清扫机器人不会发生滑落和倾覆的现象。履带发生滚动时是以驱动轮的轴心为支点的，因此对驱动轮的轴心取矩，对图3.1所示的情况进行受力分析，则清扫机器人不会发生滚动的条件为： (3-5)根据上面的不等式我们可以求出关于的不等式，即的临界值： (3-6)根据上面三种防止水下清扫机器人发生失效的情况，我们可以得出磁吸附力F和步进电机的保持转矩的临界值为： (3-7)上面的三种失效形式就是水下清扫机器人在静态时的受力情况，根据以上的临界值，我们可以避免水下清扫机器人在静态特殊状态下失效。3.3.2 动态特殊工作状态下的受力分析水下船体清扫机器人在船体表面行走时会因为船舶在水中的浮沉以及清扫机器人在行走时受到的水的阻力等等受力情况会发生一定的改变。清扫机器人行走的特殊工作状态就是指机器人在船体表面从上往下行走以及从下往上行走两种状态。当水下清扫机器人在船体表面从上往下或者从下往上时，机器人受到的水的阻力、履带与船体表面的摩擦力以及步进电机提供的转矩都会因此而发生一定的改变，所以要对这两种状态分别进行受力分析。水下清扫机器人在水中的受力有重力、船体表面与其中一个履带之间的磁吸附力,船体表面对履带的支持力,船体表面与履带之间的静摩擦力、清扫机器人与船舶一起做升沉运动过程中在升沉方向的受力、清扫机器人在水中受到的浮力、海水的阻力。(a)自下往上的特殊工作状态水下清扫机器人在船体表面行走的时候不能够速度不均匀，所以我们必须提供一个合适的由步进电机和减速器提供的驱动力矩Mq来平衡从动轮最边上的一个永磁铁块的磁力Fm1产生的克服力矩以及其他外力产生的克服力矩，从而使力矩平衡，使清扫机器人能够匀速上行。自下而上的运动状态下的受力情况如下图3.2所示。图3.2行走机构特殊工作状态自下而上运动的受力图其中：a.最边上永磁铁块的吸附力与A点的距离；H.清扫机器人重心高度；h.履带的行动装置阻力与船体表面的垂直距离；l.A点与重心线的垂直距离；.清扫机器人倾斜角度；G.清扫机器人的总重力（包括抗倾覆机构）；Fzz.清扫机器人随船舶上下浮沉是在升沉方向的受力；Fk.履带的行动装置阻力；Fr.水流对清扫机器人的阻力；Fb.水的浮力；Mq.步进电机的驱动力矩；Fm1.最边上永磁铁块的磁吸附力。为了能够实现水下清扫机器人的匀速上行，根据受力分析图，对A点取矩，按照力矩平衡的法则，列出公式如下： (3-8)其中：（1）；（2）的大小取决于清扫机器人的自重、履带的内部张力和移动速度,其值约为清扫机构自重的3%-8%；(3) 海水阻力的大小： (3-9)式中:-机器人表面积（m2）； -机器人移动速度（m/s)； -阻力系数,=0.25。为了能够使清扫机器人在船体表面匀速行走，则令,则 (3-10)(b)自上往下的特殊工作状态当水下清扫机器人自上往下行走的时候，它的受力状态会发生一些改变。虽然依然受到和自下往上一样的力，但是其中某些力的方向将会发生改变，其中履带的行动装置阻力和水流对清扫机器人的阻力方向将会完全的相反，同时，最边上的永磁铁块受力的位置也将会发生改变。在分析的时候，同样也是要保证清扫机器人能够在制动力矩的作用下能够匀速行驶。自上而下的运动状态下的受力情况如下图3.3所示。图3.3行走机构特殊工作状态自上而下运动的受力图其中：a.最边上永磁铁块的吸附力与B点的距离；H.清扫机器人重心高度；h.履带的行动装置阻力与船体表面的垂直距离；l. A点与重心线的垂直距离；.清扫机器人倾斜角度；G.清扫机器人的总重力（包括抗倾覆机构）；Fzz.清扫机器人随船舶上下浮沉是在升沉方向的受力；Fk.履带的行动装置阻力；Fr.水流对清扫机器人的阻力；Fb.水的浮力；Mr+Mt.步进电机和减速器的制动力矩；Fm1.最边上永磁铁块的磁吸附力。为了能够实现水下清扫机器人的匀速下行，必须提供足够的步进电机和减速去的制动力矩与外力矩平衡。根据受力分析图，对B点取矩，按照力矩平衡的法则，列出公式如下： (3-11)其中：(1); (2)同公式(9)。为了能够使清扫机器人在船体表面匀速行走，则令,则 (3-12)3.4一般工作状态下的受力分析水下清扫机器人的一般工作状态为沿着船舶表面同一高度的直线方向进行清扫，其前进方向与清扫机器人的重力方向垂直。同样，清扫机器人与船舶表面所成夹角在0到90内变化，工作状态也分为静态和动态，但是因为步进电机的驱动力矩所在的平面与该处受力分析所在的平面相垂直，所以步进电机的驱动力矩对此处的受力并没有影响，这样便可以不考虑驱动力矩所带来的影响，因此静态与动态在此平面的受力是一样的。一般运动状态下我们要考虑的是防止水下清扫机器人发生滑落以及在某点发生倾覆的现象。因为是沿着船舶同一共度的直线方向，因此不会发生滚动的状况，所以整个一般工作状态下的清扫机器人只需要考虑两种失效形式。在这两种情况下，清扫机器人所受到的力有永磁铁块的磁吸附力、清扫机器人的重力、水的浮力、水对清扫机器人的阻力、履带与船舶表面产生的摩擦力等。一般工作状态下的受力分析如下图3.4所示。图3.4 行走机构一般工作状态下的受力图其中：G.清扫机器人的总重力（包含抗倾覆机构）与浮力之和；.清扫机器人与竖直位置夹角；H.清扫机器人的重心高度；F.左右每排履带永磁铁块的磁吸附力；f.左右每排履带与船壁的摩擦力;Fa.水流对清扫机器人的反作用力；d.左右履带中心之间的距离。因为水下清扫机器人在一般工作状态下只会发生两种状态的失效，因此需要对这两种状态分别进行受力分析。(a) 防止下滑的受力分析防止下滑即是永磁铁块的磁吸附力要大于重力与浮力之和在垂直于船体表面方向的分力，同时也要使履带与船体表面之间的摩擦力大于重力与浮力之和在平行于船体表面方向的分力。根据这样的分析，则使清扫机器人不发生滑落的条件是： (3-13)其中：(1)；(2)。所以可以根据以上不发生滑落现象的条件得出磁吸附力的临界值为： (3-14)(b) 防止倾覆的受力分析当清扫机器人在一般工作状态下的时候，由于外力产生的力矩，有可能会在C点产生倾覆现象，因此，我们必须严格的控制外力，防止发生倾覆现象。根据这样的要求，对C点取矩，得到防止发生倾覆现象条件为： (3-15)其中：；所以可以根据以上不发生倾覆现象的条件得出磁吸附力的临界值为： (3-16)根据上面两种防止水下清扫机器人发生失效的情况，我们可以得出磁吸附力F在一般工作状态下的临界值为： (3-17)3.5 行走机构减速器步进电机的选型根据以上的受力分析，我们可以根据得到的临界值条件，进行电机的选择。因为考虑到水下清扫机器人整体的重量会对其有重要影响，所以，我们应该尽量选择体积小、重量轻、扭矩大的电机，同时，我也选择带减速器的步进电机，这样电机和减速器在一起会让整个结构更加的合理。根据以上的公式:取，则可以求出M的临界值为： 因此，为了满足任何情况下的要求，我选择的带减速器步进电机的类型为PX86N006S0，电机的具体参数表3.1所示：表3.1 电机的参数型号减速比最大输出转矩转速重量效率级数PX86N006S01:650N/m3000RPM1.65kg 90%13.6 本章小结本章主要对清扫机器人的整体结构做受力分析，主要包括特殊状态和一般状态下两种情况。特殊状态分为静态和动态两种情况。一般状态下静态和动态的受力状况一样。通过对行走机构整体的受力分析来求出磁吸力和电机的转矩是能够保证清扫机器人正常工作的重要条件。第四章 行走机构的有限元分析4.1 引言清刷机器人在的工作环境是在水下，为了能够使其在水下正常的工作，必须使其中重要的结构满足一定的强度，支撑其完成相应的工作，因此，本章对其重要的零件有限元分析，校核验证是否