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毕业论文（设计）外文文献翻译 系 部： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 2016 年 02 月 23 日 立方机器人：一个可以跳跃和平衡的立方体 要：本文介绍了一个 15以跳跃并通过一角保持平衡的立方体。飞轮安装于立方体的三个面上如图 1 所示，以高角速度转动并 紧急制动，来让立方体机器人跳跃。当立方机器人即将达到以一角保持平衡的时候，控制电机扭矩可使其于一角点保持平衡。这篇文章延续着立方体机器人在 黎世和现有预算结果的发展。 1 介绍 倒立摆系统有着丰富的历史并且已经运用于测试，演示并用来检测新的控制概念和理论。此外，倒立系统新控制算法的发展仍然是一个活跃的探索领域。 相比于其他的 3D 倒摆测试平台，此立方体机器人具有两个独特的特征。其一是它相对小的步态，（因此它叫立方体机器人，这源于瑞典的德语“立方体”的小型）。另一点在于他不通过其他来自另外支撑来保持静止， 其不仅是一个有趣的控制概念并且具有对普通大众有吸引力的演示效果。 图 1 去除盖子的立方体机器人 图 2 显示了立方体机器人的跳跃方式。最初立方体机器人以一面平放地面，将通过它的边缘来跳跃，并通过及时制动其飞轮。一旦立方体机器人通过其一边来平衡，接下来的两个轮子都是瞬间制动，使其通过一角来站立。最后，惯性测试单元（ 于状态预估将会执行，同时电机扭矩将会精确的控制来使立方机器人持续站立。 然而研究的一大部分就是尽量避免影响或者克服它的影响 10-12，只有一小部分 13，包括立方体机器人本身也需 要利用它的影响。然而冲击力是被执行机构的扭矩范围限制的，需求的冲击力是远远超出了执行力的上限。 图 2 立方体机器人的跳跃方式： （ a） 以一边平躺：最初以一面平躺，这立方体机器人跳起来通过他的一边来站立。 （ b） 一边平衡到一角平衡：这立方体机器人从通过一边的平衡转换到通过一角来平衡。 一旦完成，这个立方体机器人将提供一个廉价，开源具有相对小步态的测试平台，用于估计和控制领域的研究和教育。 立方体机器人的三维模型设计开始于以下的问题： 如何使用现成的电机、电池、电子元器件建立一个 15 厘米为边长的立方体，并使其可 以实现跳跃和利用其一角来平衡的功能呢？ 由于结构的刚度和现有的组件的约束，在飞轮允许的条件下设计质量分布特性灵活的立方体是基础要求。跳跃时必要的飞轮的角速度是在飞轮和摆动体间的一个完全无弹性计算的假设。 虽然在制动之前飞轮拥有高的角速度会被因增加转动惯量所增大的质量而降低。增加飞轮最大质量虽然飞轮的尺寸大小是被限制的。这不是走向一个极端，因为这样会导致减少恢复的角度而平衡。 飞轮与电机之间的使用齿轮连接是需要避免的，因为它不允许在较高的角速度下的跳跃，同时那样会增加额外的重量和体积。虽然保持平衡的动作需要较 高扭矩，这会受到无齿轮传动方案所影响，但无刷直流电机仍能提供足够的扭矩来恢复其角速度。 本文的目的是提出一个三维立方体机器人的概念与一个三维模型设计的发展，模型，识别和控制。这篇文章也展示了一个消除平衡机动过程中传感器的偏移的控制理念。 2 三维模型 图片 3 说明了一个建造来测试立方体机器人灵活度和发展控制理念的三维模型。基于倒立摆设计的相似动量飞轮，除了制动机制以外，还可以在 5 中找到 7 。原型包括持有动量转移的正方形塑料板，飞轮通过电机在其中心和制动机制使它可以通过一角来站立。塑料的尺寸板与该立 方体机器人一个面的尺寸想符合，这被称为以后的钟摆机构。这个塑料板是连接在底部轴承上的，这给它单自由度来使它可以绕着它在水平面转动。 图 3 由一个正方形组成的一维原型的其重心在其中心，通过电机保持动量轮的塑料板的重心在其中心。这个塑料板是安装于轴承底部的。 让 b 来表示摆体的倾斜角度， 代表旋转位移的飞轮与摆体的夹角。非线性动力学给出 了图3 所示坐标下的动力学方程 ,s i n)()(,s i 定义 m 为摆动体和飞轮的质量， 摆动体绕支点的转动惯量， I 为飞 轮绕电动机转子为转轴的转动惯量， l 为电机轴到支点之间的距离， 摆体质量中心和 点之间的距离，g=重力加速度， 电机产生的扭矩，同时 C ，为钟摆体和飞轮之间的动态摩擦系数。因为我们使用了一个电机，允许电流设定点控制在 10内部循环，目前的转矩关系可以建模为 , （ 2） 当 m 14为所用的无刷直流电动机的转矩常数，并且 u 为电流值。 输入 B 参数识别 本节介绍了确定 （ 1） 不能直接测量的参数的程序。 用来识别自由悬挂摆体偏向的不同角度。为识别 I 和 C ,在飞轮以不同的速度驱动时，而摆身体直挺挺地固定，同时 的痕迹被记录。通过最小二乘法来测量 m 可得到 I 和 C 。 为识别 经过严格的飞轮和摆体整体安装倒挂了摆动。通过最小二乘法来测量 s i n)()()( 2 可得到 下面的表格可以显示所有测量和计算得到的参数值： C 制动机制 图 4，说明了刹车机制的全部原理。金属栅栏和 服器使用薄的金属板连接，以确保大部分的冲击由金属栅 栏承受。此外，该设计确保了金属栅栏可以轻易更换。使用 服器的制动机制相较于传统的基于螺旋线圈的制动机制，在质量（少了 39g） ,供电和耐用性上都有一些优势。 为了测试制动机制的耐用性。选择合适的金属作为金属栅栏，做了如下的测试，在摆动体上固定了额外的钢板，以使得整体的质量及惯性与完整的立方体机器人在做边缘起跳时相等。如图 8所示。 图 4. 使用 图：一个 服器用以将一个金属栅栏（蓝色）与动力轮上的螺栓头（红色）快速碰撞。 D电子和软件 为防止第一个模型太过复杂，在模型 制作时，电源，计算和控制的元件并没有被安装到整体上去。图 5 表明了除电源以外的全部的电子元件配置。电源采用恒压源。 图 5 电子装置示意图 因为意法半导体的 核， 72钟）开发板拥有快速开发原型和高效的社区支持，我们选择其作为主控芯片。 性测量单元）由 国模拟器件公司）的三轴加速度计 国应美盛公司）的三轴陀螺 成。这两个 在如图 6所示的摆动体的相应位置上。使用两组分立 使用一个 50W 的直流无刷电机， 机被选为驱动的飞轮为其提供动能，与刷直流相比，它们是高能量密度的马达。嵌入式霍尔传感器的电机被用于测量飞轮转速， ，传感。电机控制使用现成的数字四象限电机控制器 ，来自 司。 议用于电机控制器与电机控制器之间的通信板。注意，立方 体机器人的微型上述控制器版本， 12月模块36 / 2，将被使用。 刹车机制的 开发板给出的 号驱动。为了便于调 载似 uc/操作系统）用于软件框架中调度程序。因其调度器所提供的区分优先级的多任务处理功能，以及其内核占用空间小（ 4 基于 发的完整的且免费的嵌入式系统开发环境，我们使用它作为软件的开发工具。 3、估算与控制 A、基于 为了估计摆动体的倾斜角度 b ,仅使用两个加速度计可以实现基于加速度的倾斜估计。注意该方法可以扩展到立方体机器人的的 3D 倾斜估计。 两个加速度计被安置在摆动体沿着多角线方向，与旋转中心距离 2,1, 如图 6所示。最灵敏的两个测量 轴线 ii yx , 放置在摆动体平面上， 指向切线方向， 指向旋转方向。这种安装方式，测量出的加速度计 i（ i=1,2）的数值，在加速度计坐标系内应当满足如下所给出的公式： ),0,co s,s i n(: 2 i 动态关系可以消去： )0,(:),0,co s)1(,s i n)1(21 其中 21 / ， 估计摆动体的倾斜角度由公式 )/(: 给出。 以下的步骤可以鉴别出加速度计在机械定位上的错误： 在多个倾斜角度下（ 4/,4/ b ），固定摆动体 )0( b ，记录加速度计的测量值。 做原理组成分析，以找到符合加速度计坐标系的旋转平面。 使测量深入到旋转平面，定义一个参考坐标系，以计算定向偏移。 图 6,图为使用了两个加速度计来估算摆动体倾斜情况下的示意图。两个加速度计放置在沿着摆动体对角线方向 ,距离旋转中心为 i=1,2） 的位置。距离的比值被用来排除测量过程中的动态关系 B、起跳过程 假定这是一次完美的非弹性碰撞，零回弹系数，起 跳所需的动量轮的角速度 这样来计算 在碰撞中角动量的转换 bb 2 其中 b 为摆动体碰撞后的角速度。 碰撞后能量的转换 )4/( b ，到摆动体到达顶点 )0( b )211()()(21 22 两边消去 b ()()22( 2 （ 3） 参数中的不确定因素或者非零的回弹系数会使得 脱离计算值。如果这样，利用 b 碰撞后的单调性和 ，可以应用简单的二分法尝试和错误学习步骤到这里来找到所需要的 ，公式（ 3）中所给出的 可以用做最开始的调解中。在碰撞后，一旦摆动体到达平衡位置附件，基于性二次调节器）的控制器，接下来的章节会介绍的，将会开始平衡系统。 C、平衡控制 将 )0,0,0(),( 性化 ）（ 4).()()( 当 ),(: , )()(0)()(0:22222)()(0:222 针对开环不稳定杆（ 4）（ 637:4 和安全系数为 30 选定 20 毫秒的采样时间为数字控制。使用该采样时间使 （ 4） 的连续时 间系统进行了离散化零级保持和由此产生的离散时间模型 通过 )5(,1 0 当 连续时间状态矩阵和输入矩阵 B 的离散时间的连续状态时，为了研究我们用简单的符号来代表相同的连续和离散版本的 u。 反馈控制器使用上述的离散时间模型，线性二次型调节器（ 形式设计出 来。 )6(),( 当 ),( 3,21 为 大限度地减少了成本函数。 ,0,0,:)(1 b 是速度陀螺仪的角速度估计量， 是霍尔 传感器的飞轮角速度估计量。图 9说明（ 6）下的平衡性能。从图中可以看出，系统的估计状态收敛 ),( , 这种行为可以被解释为以下属性的系统： ,0)7(),0,0()(3313当 3I 为尺寸 3的恒等矩阵，此属性的物理解释是，如果 和 出一个稳定的系统，在测量任何常数偏移会导致稳定状态下的一个非零的 轮速。使用连接到摆体在枢轴点的绝对编码器的读数，我们定位的偏移在倾斜角度和偏移内的倾斜角度估计量为 .,)/(t 1 为了自动消除上述恒定的倾斜角度偏移，在（ 5）中给出的离散时间系统进行了扩展通过引入一个低通滤波器和状态 下面的动力学方程 )8(,00,)1(1 当 )1,0( 同时控制器修改为 )9( ) .,( 由闭环系统 （ 5）、（ 8） 和 （ 9） 稳定为 。现在让 ),:)( , 表示系统的稳定状态，解决问题的方法为 ).()1()(1与 （ 8） 得出 )10()(00)()(311 )11().()1( 最后， （ 10） 和 （ 11） 得到 ),0,0,0(),( , 显示系统达到理想的平衡状态。滤波器状态收敛于倾斜角度的偏移量。虽然零均值传感器噪声的测量避免了简单的制定，结果仍然有效的减小此类噪声。 图片 10 显示一个平衡实验与偏移校正。估计状态 ),( , 敛于 )0,0, 同时滤波器状态 敛的偏移值为 。图片 11 显示一个平衡的实验系统在外部干扰的时间 t=26s。此外，图片 12 显示了完整的跳跃和平衡动作开始在 4/ b 停止。 图 7 开始时一维状态下平衡 图 8. 该图显示了另一个一维模 型，在其摆动体左侧增加了一块额外的负重，用来测试制动机制的耐用性。加上所有负重后，便能模拟完整的立方体边缘起跳的过程，质量和惯性对于制动机制来说至关重要的环节 图 9 时间痕迹的三维模型在平衡运行期间不进行偏移校正的状态估计角度。 4、致谢 作者要感谢 供的所有支持和讨论，分享他们在构建平衡立方体的经验 9，以及分布式飞行阵列 17。此外，作者还要另外感谢来自 于理念影响跳跃的策略， 于 图形上的帮助和 实验方面的帮助。 毕业设计（论文）中期检查表 学生姓名 班级学号 指导教师 毕业设计（论文）题目 水下船体清扫机器人设计与实现 毕业设计的主要工作内容和计划进度(由学生填写 ) 主要任务： 1、 绘制机器人整体三维模型并完成相关设计选型； 2、 机械加工并装配移动机构和清扫机构； 3、 电控系统设计及程序编写。 计划进度： 成整体计算及三维模型创建 试履带行进机构的吸附力和驱动扭矩 成行进机构的制作和清扫机构的测试 半旬 完成电控系统组装和调试 目前已完成工作情况 (由学生填写 ) 1、已完成履带行进机构样机的测试 2、已完成电控系统设计和组装 3、在测试清扫机构的性能已完成初期制作 4、已完成毕业论文前部分任务 存在的主要问题和解决方案(由学生填写 ) 1、 履带行进机构负载能力不足，目前需要提高电机扭矩； 2、 整体机器较为笨重，需要对结构进行精简； 3、 履带与壁面摩擦力较弱，在查询相关资料，进一步提高其摩擦力； 4、 整体机器功率较大，供电系统安全性和稳定性，需要进一步完善。 指导教师对学生工作态度评价 认真 较认真 一般 差 指导教师对学生完成工作质量评价 优 良 中 一般 差 指导教师意见和建议 指导教师签字： 年 月 日 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： 魏久焱 学 号： 1245522123 指导教师： 方海峰 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 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 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 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 2016年 2月 22日起至 2016年 6月 5日 ,共 15周。 进度安排： 搜集资料 结构分析比较，英文翻译，综述 开题答辩 三维造型及结构优化 二维图纸绘制 样机制作 设计说明书 必须提交论文 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 2任梦鸿 D尔滨， 2009 3窦京 下机器人总体设计及流体动力特性研究 D江， 2014 4韩占忠，王敬，兰小平 体工程仿真计算实例与应用介绍 M京理工大学出版社， 2004： 15王瑞金，张凯， 王刚 术基础与应用实例 M. 北京：清华大学出版社， 2007： 1006张宏，李志刚，赵宏林等 J2008， 36（ 9）： 2017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 8 博弈创作室 编著 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 9 叶先磊，史亚杰 程分析软件应用实例 M北京：清华大学出版社， 2003： 171 10基于 J. 机械工程及自动化 . 2007， 6(12)：15811尚晓江，邱峰，赵海峰 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 12王国强机械优化设计 M北京：机械工业出版社， 2009： 2 系 (教研室 )主任： （签章） 年 月 日 学院主管（系）领导 ： （签章） 年 月 日 毕业设计（论文）开题报告概述表 学生姓名 班级学 号 指导教师 毕业设计 (论文 )题目 水下船体清扫机器人机械结构设计 选 题 的 目 的 和 意 义 随着目前生产力的飞速发展，造船事业也在不断地进步，然而再好再大的船在行驶中始终都面临着一个共同的问题，那就是长期浸泡在水中的船舶，其表面都很容易就会被海蛎及藻类贝壳等东西纠缠，并在船体上飞速生长，严重影响船舶的行驶成本和效率。藤壶附着在舰船的底部，会大大降低航速，全世界每年燃料消耗要增加 26以上，甚至达 40，全世界每年需花大量人力清除藤壶，进行频繁的周期性维护，耗资巨大，每年达上百亿美元。而对于这个问题，人们长期以来一直都在想方设法的解决。 目前市场上船体表面清扫主要分为坞内清扫和水下清扫两类，但仍存在 诸多缺点。 （ 1） 船舶停止航行，进入船坞内进行，将造成经济上的巨大损失，以及在来去船坞的时间上的浪费； （ 2） 水下清扫人工清需要人潜水到船底进行作业，受水下环境影响，效率并不高，而且还存在安全隐患； （ 3） 另一方面，目前已有的水下清扫机构对于一些顽固的贝类和较长难以清扫的藻类植物不能很好的清扫，有的甚至还会损伤船体。 与传统水下清扫船体机器人相比，主要有如下优点： （ 1）清扫机构上设计了柔性刀具模块，在遇到硬度较大的焊缝处，可以自动规避，刀具硬度为 30船体和藤壶等船体附着物之间，避免了对船体的伤害； （ 2）柔性刀具采用模块化设计，便于更换和维护，降低了成本； （ 3）清扫机构整体采用模块化设计，可以根据需要多个级联，大大提高了工作效率和工作质量； （ 4）水下机器人移动机构采用全方位履带式结构，每个履带节在底部安装有磁性滚珠，在增大了整体吸附力的同时可以全方位移动，客服了以往履带差速转向的不足； （ 5）履带模块内部具有柔性自适应结构，保证了履带节附着于船体，提高了其工作稳定性和安全性。 鉴于上述优势 ,克服现有水下船体清扫机器人的不足，针对清扫机构在清扫船体时，为避免与焊缝等船体凸出部分的撞击问题，同时 提高了其工作效率。该清扫机构的制造和技术要求都不高，对船体表面的清扫设备的开发有很大的作用，对我国海洋战略有很大的意义。 国 内 外 研 究 现 状 及 存 在 的 问 题 近十年来，水下清扫船体机器人引起国外许多研究机构和研究者的极大关注，各种基于不同目的、不同设计方案和控制策略的水下清扫船体机器人相继诞生。 哈尔滨工业大学机电学院教师陈东良、航建学院教师陈岩研制了基于 论的水下船体清刷机器人人。该机器是典型的机电液一体化的装备。该机器人采用复合吸附方式；配备藤壶刷和海藻刷，用来清刷轻度、重度污损物，避免了喷丸等传统清刷技术带来的环境污染问题；前部加装有探照灯、摄像头等辅助装置，用以实时监控机器人的工作状态。但其工作效率和清扫质量低，在清扫时仍对船体有一定损伤且清扫藤壶等强力附着物时力度不足，实际应用中仍无法普及。 主 要 研 究 内 容 基于对 水下船体清扫机器人 研究现状的总结，本文设计一款新式 水下船体清扫机器人 。它具有 船体清扫自适应 能力，在 行进 过程中能够 保持清扫刷全方位清扫船体，消除死角并能躲开焊缝等船体凸出结构避免对船体的伤害 。主要研究内容包括以下部分： 1. 水下船体清扫机器人的机械结构设计。包括船体吸附履带行进机构设计，船体自适应清扫刷盘。 2. 水下船体清扫机器人的设计关键点在于，船体吸附力的校核。开创性的提出全方位包裹式吸附履带结构，并针对于关键部件进行有限元分析，并给出相关优化建议，使机器人能够在各种环境下吸附船体，并运动灵活。 3. 针对 船体清扫机器人的自适应清扫刷盘，使用柔性结构，对于藤壶等附着生 物进行去处，对于焊缝等船体部分进行有效规避。清扫刷采用复合结构设计，并清扫刀进行有限元分析，进行优化。 研 究 方 法 、 步 骤 和 措 施 等 拟研究方法及主要措施 1. 首先收集国内外 水下清扫船体机器人 的发展现状，收集相关资料，了解其技术要求； 2. 收集 水下清扫船体机器人 结构的资料，总结前人经验、找出当前 机器人 的缺点同时克服当前的缺点，根据技术要求、功能要求设计结构模型并通过步建立三维模型； 部分重要结构进行有限元的验证并根据结果作出相应的改进 ； 计并制作电路； 工机器人零件，并组装； 写程序并调试，完成样机的制作。 技术线路图 初步设计 确定初步方案 查阅资料及文献 制图 和电路设计 装配 产品样机并调试 最终方案 并加工制作 整合优化 指 导 教 师 意 见 指导教师签字： 年 月 日 注：如页面不够可加附页 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 本 科 毕 业 设 计（论文） 学 院 专 业 学生姓名 班级学号 指导教师 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 I 水下船体清扫机器人设计与实现 of 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 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： 学生姓名： 指导教师： V 毕业设计（论文）题目： 水下 船体清扫机器人设计与实现 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 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 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 2 外文译文一篇（中文不少于 3000字）； 3. 一套完整的设计图； . 样机一套。 三、 完成日期及进度 自 2016年 2月 22日起至 2016年 6月 5日 ,共 15周。 进度安排： 搜集资料 结构分析比较，英文翻译，综述 开题答辩 三维造型及结构优化 二维图纸绘制 样机制作 设计说明书 必须提交论文 答辩 、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 2任梦鸿 D尔滨， 2009 3窦京 D江， 2014 4韩占忠，王敬，兰小平 体工程仿真计算实例与应用介绍 M京理工大学出版社， 2004： 15王瑞金，张凯， 王刚 术基础与应用实例 M. 北京：清华大学出版社， 2007： 1006张宏，李志刚，赵宏林等 J2008， 36（ 9）： 2017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 8 博弈创作室 编著 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 9 叶先磊，史亚杰 程分析软件应用实例 M北京：清华大学出版社， 2003： 171 10基于 J. 机械工程及自动化 . 2007， 6(12)：15811尚晓江，邱峰，赵海峰 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 12王国强机械优化设计 M北京：机械工业出版社， 2009： 2 系 (教研室 )主任： （签章） 年 月 日 学院主管（系）领导： （签章） 年 月 日 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 X n of of to of of in in a of to as so on of to in of in of of So a of be is it a of in at to be In of on a by by of to of is in is to of At to of of of to of of of of is of XI is a to of of up to of of in of a of 录 第一章 绪论 . 1 题研究背景 . 1 内外研究现状 . 3 题研究的目的与意义 . 4 题研究的主要内容与关键技术 . 5 章小结 . 6 第二章 水下清扫船体机器人总体方案设计 . 7 下清扫船体机器人设计要求 . 7 下清扫船体机器人的机械系统方案 . 9 械系统的设计原则 . 9 计方法 . 9 动平台方案设计 . 11 扫机构方案设计 . 14 下清扫船体机器人的电控系统方案 . 15 动系统的设计思路 . 15 感系统的设计思路 . 16 章小结 . 16 第三章 水下清扫船体机器人移动平台设计 . 18 下清扫船体机器人移动平台分析 . 18 下清扫船体机器人关键位 姿受力分析 . 18 下清扫船体机器人移动平台设计 . 20 带吸附结构 . 23 载轮结构 . 23 轮传动结构 . 23 带张紧结构 . 23 下清扫船体机器人移动平台整体搭建 . 24 章小结 . 26 第四章 水下清扫机器人的清扫系统设计 . 27 下清扫船体机器人清扫系统设计 . 27 力矩清扫刀具模块设计 外围柔性毛刷清扫设计及整体清扫盘布局 章小结 . 30 第五章 水下清扫机器人电控系统设计 . 31 动电路分析及设计 . 31 制器的选用 . 32 章小结 . 33 第六章 水下清扫船体机器人样机制作与实验 . 34 键零件的材料选用 . 34 体支撑框架铝合金型材的选用 . 35 带固定板 . 35 印机材料 . 35 轮轴选材碳素杆 . 36 动机构的简化及试制 . 36 扫机构的简化及试制 . 41 化清扫机构及关键件分析 . 41 键件加工仿真及制作 . 41 体装配与实验验证 . 44 章小结 . 论 . 46 致 谢 . 47 参考文献 . 48 1 第一章 绪论 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 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如图 1示为常见 船体附作物 。 (a)船体附 着状况 (b)附着物 图 1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 2 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示为船坞清扫附作物。 图 1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 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 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， 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。 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 、瑞典的曲雷尔和澳大利亚的 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。 4 典型的有英国的 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 洗效率为 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。 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 5 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。 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 6 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。 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。 7 第二章 水下清扫船体机器人总体方案设计 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示。 表 2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。 应较快。 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 在浑浊的海水中感知清扫质量。 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 8 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
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