（机械制造及其自动化专业论文）水下船体清刷机器人控制系统及路径规划研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本课题来源于黑龙江省十五重点科技攻关项目。本文简要介绍了水下船 体清刷机器人的本体结构，主要完成了清刷机器人的控制系统设计和路径规 划的研究，并进行了清刷机器人的性能实验。 论文首先介绍了国内外船体清刷技术和爬壁机器人的发展现状及应用， 并介绍了几种典型的爬壁机器人。根据水下船体表面的作业环境，提出永磁 体吸附、双履带式结构的清刷机器人的本体方案。研究设计了清刷机器人磁 吸附单元、传动链和清刷装置；设计了船体表面清刷机器人驱动方式，并选 取伺服电机；完成了船体表面清刷机器人的总体设计。 论文对水下机器人的清刷电机进行了选择，并在建立了该电动机的数学 模型的基础上，采用直接转矩控制的伺服控制方式，应用m a t l a b 7 0 1 对 清刷电机进行了仿真设计。 设计了基于a t 8 9 c 5 1 的上下位机二级控制系统。依靠下位机实现预定 的控制功能，设计了交流伺服电机控制接口电路、清刷电机控制电路、通信 接口和系统电源解决方案，并安装在机器人本体上；上位机主要进行键盘扫 描和数码显示设计，通过串口通信来控制清刷机器人的动作，并设计了基于 c 语言的上下位机的控制软件 提出了水下清刷机器人的工作性能评价，并针对清刷机器人的性能评价 对机器人提出了基于神经网络的路径规划算法。 最后介绍了清刷机器人的性能实验。实验结果表明机器人样机的各项性 能指标达到了项目任务书的要求，具有以下特色：机器人在船体表面可分高、 中、低三种速度运行，而且移动平稳，移动速度满足2 8 m m i n 的要求；采 用永磁吸附和履带移动的本体结构，以及水下的作业环境，确保了机器人的 负重能力；机器人在壁面可安全越过高度不超过2 0 m m 的障碍；机器人水密 性强，可满足水深2 0 m 以浅的作业要求；机器人具有一定的工作能力，可携 带刷具对船体表面进行清刷，而且清刷效果良好。 水下船体表面清刷机器人的研制提高了清刷效率和清刷的自动化水平， 减小了人工劳动强度，减少了污染，为壁面爬行机器人开辟了一个新的应用 哈尔滨工程大学硕士学位论文 领域，具有较好的经济效益和社会效益。 关键词：船体表面；机器人；水下清刷；直接转矩控制；路径规划 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es u b j e c ti so n eo fh e i l o n g j i a n gm a j o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t s 1 1 l i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo ft h eu n d e r w a t e rs m ph u l lc l e a n i n gr o b o t t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h er o b o ti sc o m p l e t e da n dt h ep a t hp l a n n i n gi sp r o p o s e di n t h ep a p e r m o r e o v e r , t h ea p t i t u d et e s ti sp r o c e e d e da f t e ra 1 1 f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to ft h eh u l lc l e a n i n gt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o n o fc l i m b i n gr o b o ti si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t , ar e a l i t y s t r u c t u r es c h e m eu s i n gp e r m a n e n tm a g n e ta d s o r p t i o na n dt w i np c d f a i l t y p e s t r u c t u r a lc l e a n i n gr o b o ti sp u tf o r w a r d p e r m a n e n tm a g n e ts t r u c t u r e , d r i v i n g c h a i na n dc l e a n i n gd e v i c e sa r er e s e a r c h e da n dd e s i g n e d d r i v es t y l eo fc l e a n i n g r o b o ti sd e s i g n e da n ds e r v om o t o r sa r es e l e c t e d 。t h e r e f o r e ，c o l l e c t i v i t yd e s i g n0 n t h eu n d e r w a t e rs h i ph u l lc l e a n i n gr o b o ti sf i n i s h e d s e c o n d l y , t h ec l e a n i n gm o t o r sa r cs e l e c t e d u s i n gt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l m e t h o d , c l e a n i n gm o t o r sa i 己e m u l a t e db a s e do nt h e i rm a t h e m a t i c a lm o d e l t h r o u g hm a t l a b 7 0 1 咖y t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi n c l u d i n gs u p e rc o m p u t e ra n ds u b o r d i n a t e c o m p u t e rb a s e do na t 8 9 c 5 1i sd e s i g n e d a c c o r d i n gt oc o n t r o l l i n gf u n c t i o no f s u b o r d i n a t ec o m p u t e r , t h ec o n t r o l l i n gc i r c u i ta n di n t e r f a c ec i r c u i to fs e r p om o t o r s c o n t r o l l e da n ds e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i n gc i r c u i ta l ed e s i g n e da n db u n ti nt h e r o b o tr e a l i t y s u p e rc o m p u t e rc a r r ym a i n l yt h r o u g hk e y b o a r ds c a na n dn u m b e r s h o w i n gd e s i g n t h ec l e a n i n gr o b o ti sc o n t r o l l e db ys e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n a n dr o b o t sw o r k i n gs t a t ei ss h o w e dt h r o u g hn u m b e rp i p e b a s e do nc l a n g u a g e ， t h ec o n t r o ls o f t w a r ea b o u ts u p e rc o m p u t e ra n ds u b o r d i n a t ec o m p u t e ra r ed e s i g n e d a s w e l l f o u r t h l y , t h i sp a p e rg i v e sc o n c e p t o f c o v e r i n g - p a t hp l a n n i n g , i t s m a t h e m a t i c sd e s c r i p t i o na sw e l la si t sd e s i g n i n gm e t h o da b o u tf u l lc o v e r i n g - p a t h p l a n n i n g t h ep a p e ra l s od e s c r i b e ss e v e r a lk i n d so fp e r f o r m a n c ef u n c t i o n so f c o v e r i n g - p a t hm o t i o n a c c o r d i n g t ot h a t , w ed e s i g n e dt h ec o m p l e t ec o v e r a g e p a t h p l a n n i n gm e t h o db a s e d0 1 1b i o l o g i c a l l y i n s p i r e dn e u r a ln e t w o r kf o rc l e a n i n g 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r o b o t f i n a l l y , a p t i t u d et e s t o ft h ec l e a n i n gr o b o ti s d e v e l o p e d 1 1 佗t e s tr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h eu n d e r w a t e rs h i ph u c l e a n i n gr o b o th a sd o u g h t yb u r d e n e d c a p a b i l i t ya n db a l a n c e dm o v i n ga n da d j u s t e dv e l o c i t y , a n db e t t e rp o w e ra g a i n s t t u r n i n go v e r a n dc o 玎e c t i n gd e c l i n e e v e r y c a p a b i f i t yg u i d e l i n e m e e t st h e d e s i g n i n gr e q u i r e m e n t sw e l l t h eb r a n d - n e ws c o p e si si n a u g u r a t e da st h ed e v e l o p m e n to ft 1 l eu n d e r w a t e r s h i pf a c ec l e a n i n gr o b o t 伽n o to n l yi n c r e a s ec l e a n i n ge f f i c i e n c ya n dc l e a n i n g r o b u t i c i z e dl e v e l b u ta l s o 锄r e d u c em a n u a lw o r ki n t e n s i o na n dp o l l u t i o n t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h eu n d e r w a t e rs h i ph u l lc l e a n i n gr o b o th a s i m p o r t a n tm e a n i n g k e yw o r d s ：s h i ph u l l ；r o b o t ；u n d e r w a t e rc l e a n i n g ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；p a t h p l a n n i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：家近盘 日期：y 叼年弓月7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的工程背景及研究意义 1 1 1 课题的工程背景 常年航行在海洋中的船舶除了船体受到油脂、尘埃、海水的污染外，其 船底还受到藤壶、牡蛎、石灰虫、海鞘和藻类等海洋生物的侵害和污损。 “m a r i n ef o u l i n ga n di t sp r e v e n t i o n ”报道称“1 ，全世界己确认的附着海生物总 计大约有2 0 0 0 余种，这一数据不久可能会增至4 0 0 0 多。海洋污损生物的环 境适应能力很强，可以牢牢地附着在船体表面，而且很难清除这不仅影响 了美观，而且所附着海生物会使船舶每平米增重2 0 k g 左右，造成航速降低， 增加燃料消耗5 左右，浪费了大量能源埘 1 1 1 1 海洋生物的附着过程 海洋生物的附着过程极其复杂。通过对海洋生物的附着行为及其影响附 着的因素进行大量的研究，人们对海洋生物的附着机理有了基本的认识。船 舶表面从接触海水起，海洋生物在其上的附着过程就开始了。材料浸于海水 后，材料表面很快被细菌沾附，细菌分泌胞状产物，将细菌与细菌、细菌与 底物相互连接形成细菌生物膜随后各种海洋生物幼虫附着上去，变态生长 为成虫，导致材料的生物污损唧。 一般来说，海洋生物的吸附大体分以下四个阶段如图1 1 所示埘： 海水中影响腐蚀的海生物可分为3 类h ：一类是细菌和单细胞有机质， 如各类细菌及藻类；一类是柔软的生长物如海绵体等；第三类是硬质海洋动 物，如藤壶、贝类等。各类微有机体很快附着于表面，进而微生物繁殖，微 生物膜形成，宏观生物幼体依附于微生物膜逐渐成长，材料表面被生物覆盖， 宏观生物死亡腐烂处微生物大量繁殖，3 类生长物在金属材料、船舰体及海 洋构筑物表面形成污损生物群落。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 微观污损 宏观污掼 有规j 鹦奠蛋白阳凶菌1 - 和2 4 硅 , 藻b j 类有机分子( 蛋白阳菌和硅藻类 质等) 生物； 孢辗共 l 1 2 - 3 闰 i 熘可瓣弗软 图1 1 随时问变化的附着物 海生物的附着虽然分几个阶段，但贝壳类与软体类附着肌理大同小异， 静态环境和合适的栖息条件是必不可少的贝壳类生物一般附着牢固，当第 一代死亡之后，其外壳不易脱落，第二代则在其硬壳上继续繁衍，造成船底 附着生物增厚，一般经两个繁殖旺季，船底附着生物的厚度可达4 c m 以上 1 1 1 2 海洋附着物的影响 船舶表面附着海洋生物后，不仅会使船舶的航速降低，操控性下降，燃 油消耗量增加；而且还会使船舶、海水淡化设备及水下设施等的腐蚀程度加 剧，使用寿命显著缩短。 例如研，某远洋货轮当年6 月维修时只涂一道防污漆，次年8 月在意大利 西西里岛港停泊2 8 天，船底附着大量海生物，在返回途中，航速由原来的1 8 节降至1 3 节，航行时间增加了1 0 多天，多耗燃料5 0 0 t ，经济损失是巨大的。 在厦门海域，某快艇由于涂装的防污漆不当，下水当年船底附着生物达 1 7 k g m 2 ，使航速降低3 0 海洋附着生物给海运、国防和几乎一切海洋设施带来了巨大的危害，因 此对海洋附着生物的防除是今后海洋科学的重要课题。 2 豪一 徽m 一一 热 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 2 课题的研究目的 本课题来源于黑龙江省十五重点科技攻关项目，合同编号为g b 0 3 a s 0 7 。 研究的主要目的是研制水下清刷、检测机器人样机一台，其满足的主要功能 有以下几点： ( 1 ) 吸附方式：磁吸附； ( 2 ) 移动速度：2 - 8 m m i a ； ( 3 ) 负重能力；4 0 k g ； ( 4 ) 工作水深：2 0 m 以浅； ( 5 ) 作业能力：多功能( 可携带作业工具和检测设备) 。 1 1 3 课题的研究意义 为了延长船舶的使用寿命，保证船舶的安全运行，船舶必须定期进坞进 行检验和维修。这就存在着修船期长，船坞不足的问题，同时也增加了船舶 的非营运时间和燃油的消耗。所以开展船舶水下清刷作业，提高水下清刷作 业的自动化水平，是目前亟待解决的问题。 船舶水下清刷技术是从6 0 年代开始的，在进船坞前对船舶实行水下清 洗、除锈、水下检查等，使得进坞后可以迅速地对查出的故障进行处理，对 船体进行清刷、喷涂及维修工作，从而可缩短在船坞维修时间，也可以对水 下检查后没有必要进船坞的船进行完全的船坞外清刷、喷涂。这样可在拥有 同样多的船坞条件下维修更多的船舶，并可在某些项目上，开展大型船舶的 服务业务，而不必局限在大型船坞的吨位上。 实现水下清刷作业的自动化，用机器人来替代人工的操作，将会大大节 约劳动力，降低潜水员的劳动强度，提高船体清刷效率。 水下清刷作业由于可以在舰船锚泊或停靠码头时直接进行，一方面减少 了船舶的停航损失，另一方面也使得船舶的燃油消耗大大地降低。这样可以 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 解决船坞不足，特别是大船坞严重不足的问题。水下清刷作业可以把一部分 船坞维修工作改在船坞外进行，并且可以在锚泊或停靠码头的情况下有效地 开展工作，这对修船效率的提高，缓解船坞不足，更有效地利用大型船坞， 提高经济效益起到了良好的作用。 1 2 课题相关技术及国内外研究现状 1 2 1 船体表面清刷技术国内外研究现状 目前，船体表面清刷主要分为坞内清刷和水下清刷两类： 1 2 1 1 坞内清刷技术 坞内清刷技术主要是在船坞里进行船体表面的喷砂( 丸) 和高压水清洗。 图1 2 船体表面的喷砂图1 3 船体表面的高压水清洗 1 喷砂清理 喷砂清理是以压缩空气为动力，将磨料以一定速度喷向被处理的船体表 面，以除去氧化皮、铁锈和海生物污损的一种有效的表面处理方法图1 2 所示为船体的表面喷砂处理。绝大多数喷砂处理需要工人参与，喷砂的灰尘 大、噪声高还有一定的危险性。由韩国大宇造船和海事工程公司研发的“船 体真空喷砂机器人”，可自动喷砂船体外部的表面，提高生产力，防止污染， 减少了工人的劳动强度。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 高压水清洗 高压水清洗是一种既环保又经济的表面处理手段，在工业和海洋工程中 得到了广泛的应用。高压水清洗对环境没有灰尘产生，可以方便、快速而又 经济回收清理物，而且旧涂膜表面清洁处理不用担心引起涂膜受冲击而裂开。 但当船体表面的海洋附着物为海蛎等贝类时，清洗效果并不理想。图1 3 所 示为船体表面的高压水清洗。 3 存在问题 目前，我国船体表面的清理工作主要是在船坞内进行喷砂和高压水冲洗， 但这些方法都需要船舶进船坞之中，这就增加了船舶的停航损失，也与我国 当前船坞不足，特别是大坞严重不足的现状相矛盾。此外，喷砂和高压水冲 洗会给作业环境带来严重的污染。因此，研制适合我国当前国情的水下清刷 机器人迫在眉睫。 1 2 1 2 水下清刷技术 中国船级社( c c s ) 在船舶保持船级的条件嘲中的规定放宽了船舶进坞间 隔期，并允许水下检验代替船坞内检验，使得水下清刷、检测技术得到更广 泛的应用 1 水下清洗装置 目前，水下清刷技术以潜水员携带水下清扫装置完成水下船体表面的清 刷作业居多。而国外在这方面的技术已经相当成熟，如英国的u m c 水下船 体清刷装置，比利时的s u b s e ai n d u s t r i e s 公司的m c 系列水下清刷装置，美 国a r m a d as y s t e m s 公司a s 系列清刷装置和s e aa n dl a n dt e c h n o l o g i e s 公司 的h u l lc l e a n e r 清刷装置等，如图1 4 所示。 目前的水下清刷装置，动力源一般为液压或气动。潜水员手持清刷装置， 利用转刷产生的负压使之紧贴船体，推动其向前运动即可实现清刷作业。水 下清刷作业过程中，大都至少需要一名潜水员在水下操作清刷装置。水下清 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 刷装置可分为单刷、双刷和三刷装置3 种，其中单刷清刷装置重量小，操作 灵活，不受船体表面形状的影响，但作业效率低；双刷和三刷清刷装置比单 刷清刷效率高，特别适合大型油轮的清刷作业。通常清刷作业时种清刷装置 可配合使用以达到预期的清刷目的。 左上：u m c 公司的m i n ip a m p e r v e h i c l e 右上：s u b s e ai n d u s t i r e s 公司的m 3 1 1 左下；a r m a d as y s t e m s 公司的t s - t 1 5h b 右下：s e a a n d l a n d t e c h n o l o g i e s 公司的h u l l c l e a n e r 图1 4 国外水下清刷装置 通常清刷装置在水中所受浮力接近或大于本身重力，少数清刷装置所受 浮力略小于重力( 一般为单刷装置) ，刷盘转速在0 3 2 0 0 r m i n ，且而转速一 般可调，理论清刷速度最大可达3 2 4 0 m 2 h 。 2 存在问题 手动清刷过程中，潜水员的劳动强度大，工作环境条件差等一些缺点不 断暴露出来，随着电机一体化技术的发展，一些水下清刷机器人孕育而生。 美国b u t t e r w o r t h 公司七十年代初研制成功s c a m p - a 型清洗器，对于寒冷海 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 域及能见度低的水质情况下进行清扫优点显著，但其运动精度低，在船体曲 度变化大的部位仍需潜水员下水纠正。法国七十年代末到八十年代初研制了 水下清扫机器人装置，由计算机控制并取得了良好的效果。日本在这方面也 开展了大量的研究，取得了成功经验。 1 2 2 爬壁机器人技术 从国内外技术现状来看，实际应用于水下清刷作业的机器人尚不多见， 类似的壁面清刷、检测设备多采用爬壁机器人。壁面爬行机器人又称爬壁机 器人，它是机器人中的一个新品种，用以在垂直壁面上爬行并进行作业。由 于这种垂直爬行作业超过了人的极限，所以又称极限作业机器人。 从国际文献上可以查阅到目前国内外对于工作壁面为平面的爬壁机器人 研究已有了很多，也有少量实际工程应用的实例，基础理论研究已逐步完善， 当前主要致力于工程应用研究和工程应用开发。 早在1 9 6 6 年，在日本大阪府立大学工学部任讲师的西亮，就利用电风扇 进气侧低压空气产生的负压作为吸附力制作了一台垂直壁面移动机器人的原 理样机，这被看作是爬壁机器人研究的开端川。此后的几年里，爬壁机器人 技术在世界范围内得到了迅速发展，也相继研制出了不同种类的样机，有些 已经投入使用。在这一领域，日本取得的成绩最为突出睁埘，美国“蜘、英国“”、 法国“”、意大利1 删、西班牙盼2 q 、澳大利亚闻等国也在不断深入研究；相对 外国而言，国内壁面爬行机器人研究起步较晚。虽然1 9 8 8 年上海大学就开始 了爬壁擦窗机器人的研究，由于资金有限，进展没有达到预期目标。直到1 9 9 6 年以后，国家自然科学基金、国家“8 6 3 ”计划陆续资助北京航空航天大学闭、 哈尔滨工业大学嘲、上海大学删、上海交通大学m 御等高校，才正式启动壁 面移动机器人技术的研究和开发。 总体来看，爬壁机器人吸附方式有真空吸附、磁吸附和气流负压吸附等 几类。在各种吸附方式中，真空吸附具有不受壁面材料限制的优点，但当壁 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 面凹凸不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低；磁吸 附又可分为永磁吸附和电磁吸附两种，它要求壁面必须是铁磁性材料，但它 的结构简单，吸附力远大于真空吸附方式，且对壁面的凹凸适应性强：气流 负压吸附是靠螺旋桨等形成的气流负压力的壁面法向分量将机器人压附在壁 面上，这种方式的吸附力大小较容易控制，但吸附稳定性和运动精度有限 本课题研究的机器人是一种永磁吸附爬壁机器人。 以下是国内外几种典型的磁吸附爬壁机器人： 1 多足步行式 图1 j 是日本开发研制的具有内力补偿磁力吸附机构的爬壁机器人剐。其 图1 5 具有内力补偿吸附机构的爬壁机器人 中六个磁力吸附机构靠自身可以产生强大的吸力并且很容易吸附和脱离钢制 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 壁面。每三个磁力吸附机构分别形成a 、b 两组。a 、b 两组通过交错相的 驱动装置可实现向前和向后运动。中阃电机的旋转运动传递给不完整齿轮， 其中带齿的部分同齿条啮合。使装有内力补偿磁体的脚向前移动。当不完整 齿轮转到不带齿的部分时，回复弹簧迅速使脚吸附到壁面上，另外一组脚抬 起向前移动，这样就实现爬壁机器人脚的交替运动。这种爬壁机器人重量约 为6 0 k g ，结构尺寸为7 0 0 m i n x 7 0 0 m i n x 3 0 0 r a m ，最大移动速度可达1 0 0 m m s 。 2 吸盘式 1 9 9 0 年日本东京工业大学开始研制名为。d i s kr o v e r ”的吸盘式机器 人嘲，并于1 9 9 2 年研制成功。该机器人通过永磁式吸盘来实现油罐和船体表 面等磁导体上的行走，如图1 6 所示。机器人的高度为0 6 m ，总重量为2 5 k g ， 承载能力约为1 0 k g 。最大速度为0 1 m s ，磁吸附力为1 5 0 0 n 。 图1 6 吸盘式磁吸附爬壁机器人 3 履带式 图1 7 为清华大学研制的油罐检测爬壁机器人t h _ c l i m b e ri 阳 t hc l i m b e ri 的几何尺寸为4 7 2 m m x 4 1 0 r a m x2 0 0 舢，两侧履带上各安装有 3 6 块永磁体吸盘，并保证每一时刻有1 2 块吸盘与壁面可靠吸附，因此每一 时刻与壁面吸附的吸盘总数目为2 4 。每块永磁吸盘的尺寸为 5 0 r a m x 2 4 m i n x 4 m m 本体左右两侧各安装一台额定功率为8 0 w 的直流伺 服电机，作为驱动装置；传动系统采用齿轮副和谐波减速器两级减速，减速 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 比为1 ：3 0 0 。 图1 7 油罐内壁的t hc l i m b e ri 爬壁机器人 该履带式爬壁机器人负载能力大于2 0 k g ；最高直线行驶速度可达 s m m i n ；能够轻松跨越高度约为1 0 n n n 的叠焊焊缝；能够自动判断自身相对 于油罐壁的位置，具有较高的自动化程度；能够自动纠正运动偏差，使得执 行稳定的姿态偏角不超过0 3 0 4 群集型( s w a r mt y p e ) ( a( b 图1 8a n c h o rc l i m b e r 机器人 2 0 0 5 年，日本东京工业大学研制成功了名为“a n c h o rc l i m b e r ”的机器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 人旧图l s ( a ) 所示为“a n c h o r c l i m b e r ”工作环境示意图，图1 8 ( b ) 所示为 机器人的结构示意图。 该结构示意图中由两个子机器人和一个主机器人组成，每个机器人都具 有独立的移动吸附单元，如图1 9 所示主机器人与子机器人之间通过缆绳 连接，绕组机构、电池、控制器、检测清刷工具等均安装在主机器人上 ( a ) 吸附状态( b ) 运动状态 图1 9 吸附机构 图1 1 0 为“a n c h o r c l i m b e r ”机器人的运动顺序示意图。 ( 1 ) 主机器人处于停止状态时，对壁面可以产生极强的吸附力( 图1 9 为 吸附机构) ： ( 2 ) 主机器人放松与a 、b 两个子机器人相连接的缆绳，使予机器人可 以自由运动； ( 3 ) 子机器人a 、b 减小吸附力后向预定目标前进； ( 4 ) 当子机器人a 、b 到达预定目标时，加大吸附力，使其牢牢地吸附 在壁面上； ( 5 ) 主机器人拉紧缆绳，使子机器人向主机器人提供部分支持力； ( 6 ) 主机器人减小吸附力，并实时调整缆绳长度，向新的目标移动； 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上： ( 7 ) 当主机器人到达预定目标时，加大吸附力，使其牢牢地吸附在壁面 ( 8 ) 重复( 1 ) 一( 7 ) 的过程，实现整个系统的安全运行。 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 旧 仍 图1 1 0 机器人运动时序图 “a n c h o rc l i m b e r ”系统一般由两个( 或多个) 机器人组成，具有有效负载 大，移动速度快的特点。 1 3 本文的主要研究内容 本论文的目的是对水下船体清刷机器人的总体结构和控制系统进行设 计，在此基础上重点研究完成机器人的驱动控制和路径规划等问题，并进行 了水下实验。 主要完成以下工作： ( 1 ) 清刷机器人总体结构的研究和设计。根据水下船体清刷机器人的使 用环境、技术指标的要求和系统组成，设计了清刷机器人的吸附机构、驱动 u v y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机构、传动机构、清刷装置，建立了完整的永磁吸附、双履带移动的机器人 本体结构。 ( 2 ) 清刷机器人清刷机构的驱动。建立了清刷机器人的清洗刷具在水下 旋转过程中的力学模型，进行了清刷电机的选择，在此基础上建立了电机的 数学模型，并在m a t l a b 环境下对电机进行仿真分析。 ( 3 ) 清刷机器人控制系统的研究和设计。进行了机器人控制系统的设计， 其中硬件电路包括：机器人交流伺服电机驱动接口、清刷电机接口模块、通 信接口和系统的电源解决方案；软件系统主要包括：机器人的总体编程结构 和上、下位机程序设计。控制系统保证清刷机器人能按照高、中、低3 种运 动速度前进、后退和转弯等运动功能，并保证机器人具有良好的姿态调节能 力。 ( 4 ) 清刷机器人的路径规划。提出了水下清刷机器人的工作性能评价， 并针对清刷机器人的性能评价对机器人进行了路径规划。介绍了基于生物激 励神经网络的完全路径规划，并给出了神经网络模型和路径规划算法。 ( 5 ) 水下船体清刷、检测机器人样机的性能实验。分别在实验室水池和 室外船体表面环境进行了机器人的性能实验，设计机器人的水密实验、负重 实验、行走和转弯实验、越障实验、纠偏实验和清刷实验来检测机器人的各 项设计指标是否满足设计要求 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章清刷机器人本体简介 水下船体清刷机器人的主要任务是完成水下船体表面附着海生物的清 除，同时也可以作为载体开发水下船体表面维护和探测等水下作业。机器人 的工作环境是船体表面，考虑到系统的通用性和操作的简便性，水下船体表 面清刷机器人有如下几部分构成： 一 ( 1 ) 水下船体表面清刷机器人本体由永磁吸附双履带、支撑机构、连接 机构、传动机构、张紧机构和电机密封机构等组成。机械本体是控制箱及清 刷装置的运载工具； ( 2 ) 手持操作盒以a t 8 9 c 5 1 为核心，实现机器人作业任务指定及工作状 态显示等项功能； ( 3 ) 下位机以a t 8 9 c 5 1 为核心，实现机器人各执行机构的控制和机器人 姿态的检测； ( 4 ) 清刷装置完成船体表面的清刷作业任务。 2 2 水下船体清刷机器人本体组成 水下船体表面清刷机器机械人本体按照机构可分为：支撑机构、传动机 构、电机密封机构、吸附机构、控制箱等组成。同时机械本体也是清刷装置 的载体。 水下船体表面清刷机器人的本体结构如图2 1 所示。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 1 链条2 张紧机构3 吸附单元4 主动轴5 电机密封箱6 电机及减速7 组合密封 8 主动链轮9 外侧板1 0 从动链轮1 1 内侧板1 z 左右连接板1 3 控制箱1 4 从动轴 图2 1 清刷机器人本体结构图 2 2 1 吸附机构 清刷机器人的吸附机能是由镶嵌在履带链条外翼板上的磁吸附单元来实 现的，由链条的链节数决定了每条履带上每一个链节安装一个磁块，则履带 一周上均匀镶嵌有4 2 个氯丁橡胶封装的磁块单元。在履带移动的过程中，保 证每条履带上有1 5 1 6 个磁块与船体表面处于良好的吸附状态，并形成足够 的磁力将机器人吸附在船体表面上，实现吸附功能。在移动的初始时刻，调 整两条履带上的磁块处于相同的状态，然后由交流伺服电机输出驱动力矩经 行星轮减速器减速后带动主动链轮滚动，进而驱动履带表面的磁吸附单元在 船体表面上交替吸附，周而复始，实现了机器人在船体表面上的移动。通过 左右履带的速度差实现清刷机器人的转弯。 永磁体选用第三代稀土永磁材料钕铁硼( n d - f e b ) 。它是目前磁性能最 哈尔滨工程大学硕士学位论文 佳的永磁材料。机器人在移动过程中永磁体和船体表面的反复吸合和脱离会 与船体频繁发生碰撞，且n 4 5 永磁体是烧结体，韧性较差易脆裂，所以必须 对磁路结构采取保护措施。在磁路外封装一层氯丁胶，这样另一方面可以缓 冲磁路结构与船体的碰撞；此外橡胶层还可以增大履带移动时的滑动摩擦系 数，防止打滑现象的发生。 封装好后的乙型磁路再通过支撑板和链条上的连接耳板固定在履带链条 上。 2 2 2 传动机构 链传动是应用较为广泛的一种机械传动。综合考虑工作环境、传动性能、 成本等方面的因素，水下船体表面清刷机器人的传动方式选用链传动。传动 机构由链条和主、从动链轮组成。链轮上制有双排齿，依靠链轮轮齿与链节 的啮合来传递运动和动力。 2 2 3 履带驱动方式的选择 水下船体清刷机器人履带驱动方式采用后驱动方式。 履带行走装置由于驱动位置的不同，履带内张力的分布也不同。前驱动 方式的主动轮较后驱动的磨损较少，大部分履带在行驶过程中承受较大的牵 引力。随着履带的使用，履带将剧烈地伸长，导致在行驶时下部履带处形成 所谓的。履带腹部”，机器人在转向行驶过程中，履带更会有脱落的危险。后 驱动方式，由于履带内部牵引力的高区段短，避免了主动轮前置时存在的问 题。并且后驱动方式更为重要的优点在于提高了清刷机器人对船体表面的适 应性。当履带经过船体表面的突起时，位于前面的从动轮在主动轮的驱使下， 会更好地将履带移至与船体表面接触，这样机器人与船体表面贴合的磁性履 带加长，使得履带能更好地适应船体表面。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 4 驱动机构 机器人常用的驱动方式有：液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械式驱 动四种基本方式电动驱动主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。 考虑清刷机器人的特殊作业环境，行走机构驱动选用日本安川电器公司 生产的一l 系列交流伺服系统中型号为s g m l - 0 2 a f l 4 的交流伺服电机。该 交流伺服电机具有全封闭结构，且具有可靠性高、转子的转动惯量小、系统 的快速性好、同功率下重量和体积均较小等优点，其主要性能指标见表2 1 。 表2 1s g m l 一0 2 a f l 4 型交流伺服电机的性能指标 额定额定瞬时最额定额定额定转动惯量重 功率转矩大扭矩转速电流电压 ( k g m 2 ) 量 ( n m )( n m ) ( r r a i n ) ( a )i v )俺) 2 0 0o 6 3 71 9 l3 0 0 02 02 0 00 1 2 3 x x o - 41 1 表2 2s g d l - 0 2 a s 型伺服单元的性能指标 最大输出电流输入电源控制方式反馈重量 ( a )i v )( k g ) 单相a c 2 0 0 - 2 3 0单相全波整流 增量型编码器 6 0 0 9 5 0 6 0 n z 正弦波驱动 1 0 2 4 p ，r 每个交流伺服电机都有一个与之相匹配的伺服单元，没有伺服单元的驱 动，伺服交流电机不能运动。和s g m l - 0 2 a f l 4 交流伺服电机相匹配的伺服 单元的型号为s g d l - 0 2 a s 该伺服单元可实现速度和转矩的控制，具有过 电流、过负载、过电压、过速度、a u 异常、编码器异常等保护功能，该伺 服单元的主要特性见表2 2 。 交流伺服电机是高转速、低扭矩的驱动部件，电机的输出轴要经过减速 器进行减速，才能达到所需的转速和转矩的要求。我们选用了德国n e u g a r t 公司生产的p l e s 0 精密行星齿轮箱作为减速器，与一般的齿轮传动相比，行星 齿轮传动有其显著的优点： ( 1 ) 高输出扭矩； 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 空回小、效率高； ( 3 ) 承载能力强，低噪音量6 5 d b ； ( 4 ) 重量轻、体积小，传动比大； ( 5 ) 容易安装，长寿命润滑。 水下船体清刷机器人的清刷机构采用三相异步电机，减速器采用 n m r w 0 4 0 ，其减速比i 一1 0 。三相异步电机的选择与伺服控制详见下章。 2 2 5 清刷机构 水下船体表面清刷机器人清刷装置安装在机器人的前部框架上及左右连 接板中间位置，机器人的清刷面积既是机器人本体行走覆盖的面积。前端两 个刷子的旋转方向相反，这样前端两个刷子的旋转力矩平衡，而使第三个刷 子安装在清刷机器人本体中间，这样就只有一个刷予的旋转力矩由磁履带与 船体表面的摩擦力来平衡，从而尽量避免了因刷子旋转力矩问题而导致的自 转问题。 水下电机的输出轴通过联轴器与蜗轮蜗杆减速器的蜗杆轴相连接，经过 减速器减速以后，通过减速器的输出轴带动清刷机构的上传动轴旋转，再通 过平键传递扭矩带动下传动轴旋转，继而带动刷子旋转，从而实现刷子清刷 时的旋转功能。根据清刷机器人在船体表面的局部曲度变化，使刷子在清刷 机器人的爬行面能作向上2 0 r a m 和向下作2 0 m m 的上下往复运动，使清刷机 构可以带动刷子进行上下运动而始终与船体表面接触进行清刷作业，而又可 以达到和保持预定的清刷效果。 2 3 本章小结 本章简要介绍了水下船体表面清刷机器人的总体构成，包括清刷机器人 的吸附机构、传动机构、履带驱动方式的选择、驱动机构和清刷装置。永磁 吸附、双履带结构的水下船体表面清刷机器人本体，成功地做到了机器人在 哈尔滨工程大学硕士学位论文 壁面上稳定地行走，且机器人具有较强的负载能力及越障能力，保证了机器 人能够携带清刷装置完成清刷作业任务。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章清刷机器人清刷电机选型及伺服控制 3 1 引言 水下船体清刷机器人作为一个载体，除了要具有吸附功能移动功能外， 还要具有一定的作业能力，即携带作业工具完成特定的作业任务。本论文研 制的水下清刷机器人携带的作业工具是清洗刷具，在机器人载体的移动过程 中，完成清刷作业。针对清洗刷具的作业要求，选择合适的电机及控制方式 就显得尤为重要。 3 2 清洗刷具在水下旋转过程中力学模型的建立 清洗刷具在水下做旋转运动，需要克服来自海水的粘滞阻力矩、与清刷 物体表面接触产生的摩擦阻力矩和刷具旋转产生的惯性阻力矩的作用。 海水的粘滞阻力矩m 。 m ，- o 6 16 ，：r r e , , 4 咖，3 ，20 1 ) 式中：肼。刷盘受到的海水的粘滞阻力矩( n m ) ； y 海水的密度( k e d m 3 ) ； 疋- 届嗌 半径( m ) ； ，海水的运动粘性系数，i ，一1 0 1 x 1 0 。6 ( m 2 s ) ： 嘟0 盘旋转的角速度( r a d s ) 。 摩擦阻力矩m 即，茜影獗2 d x - 鬻朋( 3 - 2 ) 式中：膨，刷具所受的摩擦阻力矩( n m ) ； e 刷具对船体表面的正压力( n ) ； ，刷丝与船体表面间的摩擦系数，- 0 6 ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r 刷丝分布半径( m ) ； r 刷盘无刷丝部分半径( m ) 惯性阻力矩 m g m 胁i 1 1 2 肘嚣( 3 - 3 ) 式中：膨。- 届4 具所受的惯性阻力矩( n m ) ； ，- 届0 盘转动惯量( k g m 2 ) ； g 刷盘角加速度( 1 ，s 2 ) ； m 叫i j 具质量( 1 【g ) ； 开刷盘转速( r r a i n ) ： f 刷盘加速时间( s ) 。 马达的输出转矩为膨，由牛顿定律可得： j 訾m m , - m t m 3 0 - 4 ) 出2 1” 则驱动刷具电机的输出转矩r 应满足条件 t m ( 3 - 5 ) 确定电机的功率 p - 去( 3 - 6 ) 式中：p 电机的额定功率( k w ) ； r 电机的输出扭矩( n m ) ； 弗电机的输出轴转速( r m i n ) ； 经优化分析当刷盘半径为1 0 0 m m ，转速为2 0 0 r p m 时，m 一1 8 n ，详细 计算过程见文献唧 3 3 清刷电机的选择 当选用减速比i 一1 0 的n m r w 0 4 0 型减速器时，考虑到减速器效率和安 哈尔滨工程大学硕士学位论文 全系数，折算到电机转轴上的转矩取6 n m ，则电机轴输出功率约为1 8 8 k w 。 由于机器人可携带的作业工具的重量是有限的，所以在选取清洗刷具的 驱动电机时，除了考虑电机的额定转矩外，电机的重量也是首要考虑的问题。 根据作业要求和以上分析，选用1 2 1 5 型三相潜水电机，其具体指标见表3 1 所示。 表3 1 电动机性能指标 额定额定同步电压频率晟大 功率转矩转速外径