（机械电子工程专业论文）水下船体表面清刷机器人检测系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文主要完成了基于l a b v i e w 的水下船体表面清刷机器人检测系统的 设计研究，包括检测系统硬件设计和选择，软件系统设计，并通过虚拟实验 对检测系统的性能进行了分析研究。 论文对国内外水下清刷技术和爬壁机器人的发展现状及应用情况进行了 介绍。根据水下船体表面清刷的工作环境，提出了机器人检测系统的总体方 案，结合清刷机器人具体工作要求，对检测系统进行了具体设计。包括检测 系统的总体设计，定位系统、越障系统和安全检测系统三个子系统的具体设 计。 针对船体表面清刷机器人的结构特点和特定的工作环境，对其检测系统 的硬件进行了具体的设计选型。从整个检测系统的总体硬件组成到具体传感 器的选择、接口电路的设计。对船体表面清刷机器人的检测系统进行全面的 设计。所设计的机器人检测系统具有体积小、精度高、性能可靠、重量轻等 优点，能满足船体表面清刷机器人在水下正常工作的要求。 对数据采集卡的安装和配置做了详细说明，进行了具体了具体标定和配 置。对采集卡进行初步测试，检查其是否能正常工作。设计了船体表面清刷 机器人的检测系统总体程序界面，其中包括三个子系统界面，通过具体的界 面可以显示每个子系统的检测参数，并以数字和指针的形式实时显示出来。 对清刷机器人检测系统的各子系统进行了虚拟实验，仿真信号输入，经 过检测系统的信号分析和处理，得到相应的结果。实验结果表明船体表面清 刷机器人检测系统性能优越，运行灵活，报警及时可靠，开发成本低。 关键词：船体表面清刷机器人；l a b v i e w 虚拟技术；检测系统； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h er e s e a r c ho nm e 随, s u r os y s t e mo fu n d e r w a t e rs h i p f a c e c l e a n i n gr o b o tb a s e d0 nl a b v i e wh a sm o s t l yb e e nf u l f i l l e d , i n c l u d i n gt h e d e s i g no ft h es y s t e mh a i d w a r ea n ds o f t w a r e , t h ec a p a c i t yo ft h em e a s i l r es y s t e m h a sb e e na n a l y s e du s i n gv i r t u a lt e c h n o l o g y d e v e l o p i n ga c t u a l i t y a n d a p p l i c a t i o n s t a t u so nu n d e r w a t e r c l c u n i n g t e c h n o l o g y a n d p e d r a l lt y p e - c r e e p w a l lr o b o ta th o m ea n da b m a di s s u m m a r i z e d t h i n k i n gt h es i t u a t i o no ft h er o b o tc l e a n i n g , t h ep r o j e c to fm e a s u r e s y s t e mo fu n d e r w a t e rs h i pf a c e e l e a n i n gr o b o th a sb e e nd e s i g n e d ，t h ed e t a i lo ft h e d e s i g nh a sb e n nf i n i s h e db a s e do nt h ew o r k i n gr e q u i r e m e n t ，i n c l u d i n gt h et h r e e s u b s y s t e m ，t h e ya r el o c a t i o ns y s t e m ，o b s t a c l ea v o i d i n gs y s t e ma n ds a f em e a s u r e s y s t e m c o n t r a p o s i n gt h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gs i t u a t i o no f t h eu n d e r w a t e rs h i p f a c ec l e a n i n gr o b o t , t h eh a r d w a r eo ft h em e a s u r es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e di n d e t a i l s ，i n c l u d i n gt h es o r s o p 8c h o i c ea n di n t e r f a c e c i r c u i td e s i g n t h em e a s u r e s y s t e mo f t h eu n d e r w a t e rs h i pf a c ec l e a n i n gr o b o tt h a th a sb e e nd e s i g n e di nt h e s t u d yh a sh i g h l yp r e c i s i o na n dr e l i a b l ec a p a b i l i t y , i ta c h i e v et h er e q u i r e m e n to f t h eu n d e r w a t e rs h i pf a c ec l e a n i n gr o b o tw o r k i n gi nu n d e r w a t e rs i t u a t i o n t h e c o n f i g u r e o ft h en id a q c a r d 一6 0 2 4 eh a sb e e ni l l u s l r a t e da n d c o n f i g u r i n gt h ec a r di nd e t a i l s b yt e s t i n gt h en id a q c a r d 一6 0 2 4 e , m a k es u r et h a t t h ec a r dc a l lw o r kc o r r e c t l y t h em e 舔u r es y s t e mo ft h eu n d e r w a t e rs h i pf a c e c l e a n i n gr o b o ts h o w i n gp a n e lh a sb e e nd e s i g n e d ，i tc o n s i s to ft h es u b s h o w i n g p a n e l t h es h o w i n gp a n e lp a ns h o wt h ef i g u r e st h a tt h em e a s u s y s t e ma t t a i nb y t h es e ns o t si nt h ef o r mo f p o i n t e r v i r t u a le x p e r i m e n th a sb e e ns e tu pw i t ht h ed a s i g n e dm e a s u r es y s t e m u s i n g s i n g a le m u l a t o rp r o d u c et h ev i r t u a ls i n g a lt h a ti ss i m i l a rt ot h er e a ls i n g a l ，t h e v i r t u a ls i n g a lh a sb e e ni n p u tt h em e a s u r es y s t e ma n da t t a t i n e dt h er e s u l tw i t ht h e p r o c e s s i n ga n da n a l y s i n go ft h ep r o g r a m e , i no r d e rt ov e r i f yt h ec a p a b i l i t yo ft h e m e a s u l es y s t e m t h ev i r t u a le x p e r i m e n th a sp r o v e dt h em e a s l | r es y s t e mo ft h e 哈尔滨：f ：程大学硕十学位论文 u n d e r w a t e rs h i pf a c ec l e a n i n gr o b o th a st h es u p e r i o rc a p a b i l i t ya n do p e r a t i n g s i m p l y , a l a r m i n gi nt i m ea n di n c r e d i b i l i t y , e c o n o m i z i n gt h ee x p e n d i t u r e so ft h e e m p o l d e r i n g k e yw o r d s ：t h eu n d e r w a t e rs h i pf a c ec 1 啪i n gr o b o t ；l a b o r a t o r yv i r t u a l e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ；v i r t u a lt e c h n o l o g y ；m e a s u r es y s r e m 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。 一 日垃 字 1 签 瑚 湓 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源、目的和意义 随着世界经济的发展，带来了远洋运输事业的飞速发展，船舶作为海上 交通运输的主要工具正发挥着越来越大的作用。但海水的强腐蚀性和海洋生 物的强附着力，使得船体表面附着难以清除的贝类、锈皮和锈斑等，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。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， 是目前急需解决的问题。 船舶水下清刷技术是从六十年代开始的，在进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 进行涂装等维修工作，从而可缩短坞修时间，也可以对水下检查后没有必要 进坞维修的船舶进行完全的坞外清刷、 件下修更多的船，并可在某些项目上， 喷涂。这样可在拥有同样多船坞的条 开展大型船舶的服务业务，而不必局 限在大坞的吨位上。据统计，世界上5 万吨以上的船占船舶总数的4 9 4 ，这 是一部分相当大的业务对象。而我国虽有大连造船新厂等几家拥有2 0 万吨级 以上的船坞，但还是与国外存在很大的差距，我国只有在修船效率上下工夫。 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 解决船坞不足，特别是大坞严重不足的问题。其长远意义在于海洋工程结构 的维修及军事方面应用的巨大前景i l 】。 1 2 国内外与本课题相关领域研究现状、水平及发展方向 1 2 1 水下清刷技术的国内外发展概况 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 解决船坞不足，特别是大坞严重不足的问题。其长远意义在于海洋工程结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的维修及军事方面应用的巨大前景。 水下清刷作业具有减小船舶阻力、减少航速损失和节约燃料等优点，特 别是在全球石油危机的影响下，船舶的水下清刷作业更是得到了广泛的应用 和发展。 水下清刷技术的发展分为三个阶段。第一阶段为手工操作阶段，由潜水 员下水进行清刷工作。第二阶段为机械操作阶段，由专用的清洗器、涂装机 等机械完成大型船舶的清刷任务，并具有较高的工作效率。第三阶段为遥控 机械或机器人作业阶段，为在恶劣的海洋环境下开展工作提供了保障。 在国外，机器人作业装置已经日趋成熟并走向实用化。法国的b k 型、瑞 典的曲雷耳和澳大利亚的a u s t r a lj a n 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 液压或气动的。 在国内，水下清刷作业自1 9 8 3 年在湛江、厦门、天津、秦皇岛、烟台、 大连等地建立了业务以来，主要方式是潜水员水下手工作业，与国外的无潜 水员遥控操作形成了鲜明的对比。上海救捞局有关厂曾对进口设备进行过研 究，并仿制了单刷式清扫器，但效果不好，对于更高层次的产品研究则更少。 目前我国船体表面的清理工作主要是在船坞里进行喷砂，如图1 1 所示，高压 水冲洗如图1 2 所示。在船坞 里对船体表面进行喷砂处理， 作业环境污染相当严重【1 】。 1 2 2 壁面移动机器人 的国内外发展概况 1 壁面移动机器人的类 型及特点 壁面移动机器人又称爬 壁机器人，机器人能够实现在 壁面上自由移动必须具备两 图1 l 喷砂处理 2 哈尔滨一= 程大学硕士学位论文 个功能，即吸附功能和移动功能。 图1 2 高压水冲洗 按移动功能来分有车轮式、履带式和步行式三种。从移动的灵活性和高 速性来考虑，可优先选用轮式的移动方式。履带式的移动方式在负重能力和 对壁面的适应性方面有着很大的优越性。 2 壁面移动机器人国外发展概况 1 9 9 0 年，东京工业大学研制的“n i n j a i ”型四足壁面步行机器人，如 图1 3 所采”】。 1 9 9 1 年，日本关西电力综合技术研究所研制了混凝土建筑物的壁面检查 机器人，如图1 4 所示邮朋。加拿大研制的m a g n e t i cc r a w l e r 磁力吸附爬行器 图1 3“n i n j a l ”壁面步行机器人图1 4 壁面检查机器人 哈尔滨工程大学硕七学位论文 如图1 5 p ) f 示【7 1 。 3 壁面移动机器人国内发展概况 从国内的发展状况来看，北京航空航 天大学的机器人研究所为北京西客站玻璃 顶棚研制了清洗用高层建筑擦窗机器人样 机，如图r 6 所示。 哈尔滨工业大学开发的壁面清洗爬壁 机器人是专为瓷砖壁面清洗而设计制造 图1 5 磁力吸附爬行机器人 的，如图1 7 所示【5 】，为该校研制成功的我国第一台遥控壁面爬行机器人、磁 吸附多功能壁面爬行机器人，在检查核废液储罐安全及代替人储油罐喷漆等 领域中大显身手【9 】。 图1 6 高层窗体清刷机器人 哈尔滨理工大学研制了测量金属大罐 漆膜厚度的轮、履带复合式永磁吸附爬壁 机器人，如图1 8 所示。 1 9 9 7 年，哈工大机器人研究所和天力 机器人工程有限责任公司联合研制开发出 一套适用电站锅炉水冷壁排管清扫、敲渣、 检测的履带式磁吸附爬壁机器人试验样 机，并于1 9 9 8 年得到国家“8 6 3 ”高科技计 划资助，如图1 9 所示。具体技术指标：a ) 4 图1 7 壁面清刷机器人 图1 8 高层窗体清刷机器人 哈尔滨_ t 程大学硕十学位论文 吸附方式：永磁吸附；b ) 移动机构：履带 式；c ) 移动速度：2 8 m m i md ) 负重能 力：4 0 k g ；e ) 控制方式：有线遥控，p l c 控 制；f ) 爬行壁面：由中6 0 舢管组成的排管 水冷壁，高度为4 6 m ；g ) 作业功能：带附 件后，能实现清扫、敲渣、测厚、打标记等 【l o 1 。 清华大学研制一种可在竖直金属壁面上 运动的特种机器人，采用两条履带作为运动 机构，靠永磁体产生的磁力吸附于壁面，拥 图1 9 磁吸附爬壁机器人 有接近觉、视觉和姿态觉传感器，具有一定 的智能，携带涡流检测探头完成对油罐壁面的无损探伤，如图1 1 0 所示【l ”。 图1 1 0 检测检修壁面爬行机器人 上海大学研制的球形壁面爬行机 器人，如图1 1 l 所示【1 2 】，具有在不同 曲率半径球形壁面上行走的爬行机 构，及在不同材质球面上的吸附机 构。 球形壁面爬行机器人的球面移 动机构采用了气动驱动的六足缩放 机构移动方案，具备在曲率半径2 5图1 1 l 球形壁面爬行机器人 哈尔滨：f 1 犟人学硕士学位论文 米的球形壁面上完成任意方向的直线移动和原地转向的能力，可采用多种步 态行走，并能跨越3 2 0 r a m 高的条形障碍物；该样机的球面吸附机构，采用具有 真空传感功能的铰接式橡胶真空吸盘，融吸附功能和传感功能于一体。可用 在石油、化工、城市煤气、核工业等大型球罐的清洗、探伤、表面喷涂等工 作。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要是以l a b v i e w 软件为工具，对水下船体表面清刷机器人的检 测系统进行研究，选择传感器，编写程序，对机器人在水下的工作状况进 行实时检测，以确保机器人具有正确的工作姿态，从而发挥良好的工作性 能。 水下船体表面清刷机器人有如下几部分构成： 1 机器人本体由永磁吸附方式，双履带结构构成水下船体表面清刷作 业机器人的载体，是工作附件的运载工具，驱动电机、控制系统、检测系统 和清刷机构都安装在其上。为保证其重量轻，采用了铝合金材料； 2 驱动系统清刷机构采用电机驱动，采用齿轮减速，不进行调速。而 行走机构的工作情况复杂，须根据负载的实时变化而改变速度，所以采用伺 服电机驱动； 3 控制系统上位机采用p c 机，以实现人机界面交互，环境初始值输入， 作业任务指定，机器人状态显示等项功能。下位机采用工控机，完成机器人 各机构的控制功能，同时接收上位机的指令和检测系统的信息； 4 检测系统由定位系统、越障系统和安全检测系统三个子系统组成。 定位系统检测船体表面清刷机器人的位置和姿态，实现对机器人的实时准确 的控制：越障系统保证机器人在遇到不可逾越的障碍时进行避让，以免机器 人失去吸附而从船体脱离；安全检测系统可实时检测控制柜、电机等部件的 密封情况，以保证机器人正常工作。 机器人的总体结构如图1 1 2 所示。 主要的研究工作包括以下几个部分： 1 传感器的选择：根据所需测得的参数进行传感器的选用，要适合于 6 哈尔滨r 程大学硕+ 学位论文 水下环境的使用。 图1 1 2 船体表面清刷机器人总体方框图 2 定位系统的设计：对机器人的纵向倾斜角，横向偏转角、深度等位 置参数进行检测，判断出机器人的位置状态。 3 越障检测系统的设计：对船体的表明情况进行检测，将检测到的信 息传给操作人员，以便安全地控制机器人。 4 安全检测系统的设计：对机器人的漏水、漏电的现象进行检测，以 便保证机器人在良好的环境下工作。 7 堕玺堡三矍查兰堡兰堡笙茎 第2 章船体表面清刷机器人本体结构组成 2 1 引言 船体表面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，作为运载机构的爬壁机器人，首先应该具有良好的吸附能力和行走能 力，能够可靠地吸附在船体表面上，以及能够在船体表面上自由地上下移 动，同时，考虑到作业环境和作业性质的特殊性，船体表面清刷机器人应 具有一定的越障能力、负载能力和保持正确的行走姿态。 船体表面清刷机器人的检测系统对保证这一要求的实现具有决定性的 意义。机器人在水下环境中必须能时时地检测自身的位置、姿态等信息， 将这些信息传输到计算机控制系统中，控制系统将随时对机器人的姿态进 行调节，使机器人能按照正确的运动轨迹进行工作，保证清刷质量。机器 人在工作工作中爬越障碍时，能检测出障碍的大小，使其顺利通过，保证 机器人与船体紧密吸附。本章结合水下船体表面清刷机器人的具体结构特 点和运动学特点，根据其作业要求，对机器人的检测方案进行了分析和研 究雌1 4 1 。 2 2 船体表面清刷机器人性能指标与总体结构 2 2 1 船体表面清刷机器人性能指标 根据船体表面清刷机器人在水下船体表面完成清刷作业任务的要求，船 体表面清刷机器人的整体性能应达到如下主要技术指标： 1 吸附方式永磁吸附； 2 移动机构双履带式； 3 移动速度2 8 m m i r a 4 负重能力 3 0 0 n ； 5 控制方式有线控制； 6 工作面在室内搭建的，由高3 o m ，宽1 8 m ，厚1 2 n n n 的钢板制成的 哈尔滨一】：程人学硕士学位论文 实验平台； 7 作业能力安装上清刷装置后能完成清刷作业任务； 8 工作状态在船体表面上能保持良好的行驶姿态，能避让障碍，能检 测有无漏水、漏电情况。 2 2 2 船体表面清刷机器人的总体构成 综合以上性能指标，考虑到系统的通用性和操作的简便性，水下船体表 面船体表面清刷机器人有如下几部分构成，如图1 1 2 所示。 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，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 【1 5 】： 3 传感器及信号检测与分析处理系统。 2 3 船体表面清刷机器人本体结构设计 综合考虑了船体表面清刷机器人的作业环境，作业要求，保证机器人 的可靠性和安全性，选择了双履带永磁吸附式的壁面移动机器人，原因是： 1 由于船体表面是导磁性材料，且附着海生物的船体表面凹凸不平，为 了提高吸附力，选用磁吸附法。采用永磁体吸附比较安全可靠，即使突然断 电，机器人也不会发生坠落现象，而电磁铁要实现吸附功能就要受到电源通 断电的限制； 2 选用双履带的移动方式，与轮式相比，虽然结构上比较复杂，但其接 触面大、重心低、稳定、可增加负重且便于携带作业工具。将永磁体块镶在 链条上形成磁性履带，通过合理的设计履带结构，可以使履带负重的大小与 其上所镶嵌的磁块数量近似成正比，这样可保证在增加吸附力的同时，又可 灵活地适应船体表面； 3 船体表面清刷机器人由履带完成其移动功能，由于履带是铰链联接的， 9 哈尔滨：r 程大学硕七学位论文 具有一定的柔性，能够适应船体表面的曲率变化，且可越过焊缝等存在于船 体表面的障碍。 船体表面清刷机器人的本体结构如图2 1 所示。 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l o 从动链轮1 1 内侧板1 2 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 3 1 吸附机构 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块来实现 的。由链条的链节数决定了每条履带上每隔一个链节安装一个磁块，则履 带一周上均匀镶嵌有4 2 个橡胶封装的永磁体块。在履带移动的过程中，保 证每条履带上有8 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，然后由马达输出驱动力矩经减速器 减速后驱动主动链轮，进而驱动履带表面的磁块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。 镶嵌在履带上的永磁体及其磁路结构的选择和设计是船体表面清刷机 l o j 哈尔滨i ：程大学硕七学位论文 器人实现在船体表面吸附功能的关键。永磁体选用第三代稀土永磁材料钕 铁硼( n d f e b ) “”，它是目前磁性能最佳的永磁材料。它资源丰富，价格便 宜，适合在开路状态、压力场合、反磁场或动态情况下应用，并由于便于 加工，适合制造成短或薄的元件。通常以最大磁能积( 跏、剩磁屏、内禀 矫顽力如等来衡量永磁材料的质量，这些量的数值越大，材料的性能越好， 质量也越高。选用钕铁硼材料的型号为n 3 5 ，其性能参数见表2 1 。 表2 1 钕铁硼n 3 5 的性能参数 剩磁四磁感矫顽内襄矫最大磁能b 的温 密度 最高工 回复磁导 搋顽托彩v ( 8 嘞 度系数作温度靴 c i )啪n )o 【a m )o 【聃的 ( 铲c ) ( 1 【g 甜) ( o c ) 1 1 7 1 2 38 5 l 9 5 5 9 5 52 6 4 _ 2 8 8- 0 1 27 3 x 1 0 38 0l n 卜1 1 0 选择合适的磁路类型能最大发挥永磁体的性能，减少漏磁通，保证磁 块在船体表面的可靠吸附。我们选用如图2 2 所示的乙型磁路，两块永磁 体由铜块隔开后通过轭铁产生导磁作用，再作用于船体表面，这样就能大 大提高磁能利用率，产生较大的磁吸附力【1 7 , 1 8 a 9 。 1 氯丁胶2 n 3 5 永磁体3 铜块4 撑板5 轭铁6 外翼板7 内翼板8 销轴 图2 2 磁回路结构图 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 3 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。我们在磁路外封装了一层氯丁胶，这样另一方面可 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 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。 封装好后的磁路再通过支撑板和销轴固定在链条上。 2 3 2 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。考虑机器人的特殊作业环境，驱动机构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 一0 2 a f l 4 的伺服马达。该马达具有 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 2 。 表2 2s g m l 一0 2 a f l 4 型交流伺服马达的性能指标 额定 额定瞬时最额定额定额定转动重 功率转矩大扭矩转速电流电压惯量量 ( 、小i n )( n m )( r r a i n )( a )( v )( k g m 2 )( k g ) 2 0 0 0 6 3 71 9 l3 0 0 0 2 o 2 0 0 o 1 2 3 x 1 0 。4 1 1 每个伺服马达都有一个与之相匹配的伺服单元，没有伺服单元的驱动， 伺服马达将不能运动。和s g m l 0 2 a f l 4 伺服马达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、c p 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 3 。 表2 3s 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 ) o r ) ( 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 o0 9 5 0 6 0 h z正弦波驱动 1 0 2 4 p r 马达是高转速、低扭矩的驱动部件，马达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 8 0 精密行星齿轮箱作为减速器，其性能指标见表2 4 。与一般的 1 2 哈尔滨【= 程大学硕士学位论文 齿轮传动相比，行星齿轮传动有其显著的优点：高输出扭矩；空回小、效 率高；承载能力强；低噪音6 5 d b ；重量轻、体积小，传动比大；容易安装， 长寿命润滑。 表2 4p l e 8 0 精密行星齿轮箱性能指标 额定输出最大输入转动最大径减传动满负载重 扭矩速度惯量向载荷速级数效率量 ( n m )( r m i n )( k g m 2 )( n ) 比 o 【g ) 1 2 08 0 0 0o 3 9 x 1 0 49 5 01 6 039 0 3 1 2 3 3 传动机构 1 链传动的特点和应用 根据本体结构的需要，综合考虑传动性能、成本等方面的原因，这里 选用链传动。它由链条和主、从动链轮组成，链轮上制有特殊齿形的齿， 依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。链传动与带传动相比，无 弹性滑动和打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高。作 用于轴上的径向压力小、结构也较为紧凑。与齿轮传动相比，链传动的制 造和安装精度要求较低，成本低廉。链传动的主要缺点是运转的瞬时速度 不均匀，高速时不如带传动平稳，链条磨损后易发生跳齿现象。主要失效 形式为疲劳破坏、铰链的磨损和胶合、还有静力拉断。链传动主要应用于 要求工作可靠，且两轴相距较远，以及其它不宜采用齿轮传动的场合和极 为恶劣的工作环境中。这里采用的传动链为两侧带翼板的滚子链，以便在 改形后的外侧翼板上镶嵌磁块【2 0 】。 2 链传动主要参数的确定f 2 l 】 ( 1 ) 链轮齿数毛、岛和传动比i 由于通过减速器输出的转速无需再进行减速了，因此主、从链轮的齿 数是相同的。链轮齿数太少，将会导致传动的不均匀性和动载荷的增大， 也会加速链条和链轮的磨损；链轮齿数太多，则易于发生跳齿和脱链现象， 同样缩短链条的使用寿命。考虑到永磁吸附块的干扰问题，链轮齿数不能 选择得太少，这里取z = z ，= z = 2 7 ，传动比i = l 。 1 3 哈尔滨 ：程大学硕七学位论文 ( 2 ) 链条节距p 链条节距p 的大小，与传动的平稳性、承载能力等均有一定的关系。 在一定条件下，链条的节距越大，承载能力越高，但传动的多边形效应也 要增大，振动、冲击、噪声也越严重。为使传动平稳、结构紧凑、延长链 条的使用寿命，尽量选用较小节距的单排链。考虑链的传动功率小于 1 0 0 k w ，链速小于1 5 m s ，选用了普通短节距传动滚子链，其型号为：1 2 a 一1 x 8 4 g b l 2 4 3 卜8 3 ，该滚子链的节距p = 1 9 0 5 1 t i n l 。 ( 3 ) 链传动的中心距a 和链节数厶 若中心距a 过小，当链速不变时，单位时间内链条绕转次数增多，则 链条曲伸次数和应力循环次数增加，可加剧链的磨损和疲劳，且链条在主 动链轮上的包角变小，将导致轮齿所受的载荷增大，易出现跳齿和脱链现 象。中心距太大，会引起从动边垂度过大，传动时造成松边颤动。一般初 定中心距a 。= ( 3 0 5 0 ) p ，从减小机器人的体积考虑，取a o = 3 0 p 。 链节数 。 o = 等+ 半+ 蟹) 2 昙。8 7 ( 匍( 2 - 1 ) 考虑使磁块均匀分布在链条上，并且每4 个链节安装一个磁块，所以 取厶= 8 4 节。 链传动的理论中心距 4 = 詈 ( l e - 半) + 弘一半) 2 - 8 ( 等) 2 】_ 5 4 3 ( r a m ) ( 2 - 2 ) 实际中心距 a a a a 口- 0 0 0 2 a = 5 4 1 ( n a n ) ( 2 - 3 ) ( 4 ) 链轮的主要尺寸 分度圆直径 d ：七：1 6 4 ( r a m ) ( 2 - 4 ) 1 8 0 。 蛐一 z 齿顶圆直径 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d a = d + 1 2 5 p d = 1 7 4 ( r a m ) ( 2 - 5 ) 式中：d ，一滚子链的滚子外径，d ，= 1 1 9 1 r a m 。 齿根圆直径 d ，= d t = 1 5 2 ( m m ) ( 2 6 ) 分度圆弦齿高 h a = ( o 6 2 5 + o 8 z ) p 一0 5 d ，= 6 2 5 ( r a m ) ( 2 7 ) 齿侧凸缘直径 d 。s 删堕一i 0 4 h 2 0 7 6 ：1 6 2 ( r a m ) ( 2 - 8 ) 式中：k 一滚子链内链板高度，= 1 8 0 8 r a m 。 齿宽 6 ，= 0 9 5 b t = 1 1 9 4 ( r a m ) ( 2 - 9 ) 式中：6 i 一内链节内宽，反= 1 2 5 7 姗。 3 链条的张紧装置 链条包在链轮上太松和太紧都不好，其松紧程度用松边垂度厂来表示。 合适的松边垂度为厂= ( o 0 1 o 0 2 ) a 。链条垂度过大时，会产生与链轮啮合 不良和链条的振动等现象，会导致磁性吸附块与船体表面接触不良，影响 机器人的移动功能。并且链条在使用过程中也会因磨损而逐渐伸长，也需 适时地调整链条的松紧程度。这里采用了调整主从链轮中心距的方法来控 制链条的张紧，其结构如图2 3 所示。当链条太松时，通过调整位于从动链 轮两侧的张紧螺钉，使从动链轮向远离主动链轮的方向移动，从而加大了 i 越ii茏疡4 1 从动链轮2 从动轴3 涨紧螺钉4 外侧板 图2 3 链条张紧装置 1 5 哈尔滨。t ：程大学硕士学位论文 两链轮的中心距，起到了调整链条松紧的作用。 2 3 4 履带驱动方式的选择 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 动和后驱动方式的履带内张力分布如图2 5 所示1 2 2 1 。其中( a ) 为前驱动方式， ( b ) 为后驱动方式。图中为履带的总预张力，e 为主动轮上的牵引力，e t 为履带的内部牵引力。履带预加张力是尽量减小履带的振动、噪音和磨损 等因素对履带在行驶过程中的影响，履带总预张力包括预加动张力和预 加静张力两部分。主动轮上的牵引力e 是用来克服履带行动装置的内部阻 力和外部阻力的。而履带的内部牵引力忍包括了所有作用于履带上的牵引 力，即：巳= c + t o 。 前驱动方式的主动轮较后驱动的磨损较少，因为履带在从壁面到主动 轮的过程中，履带上携带的杂物已经被较好地冲刷了。但从图2 4 ( a ) 可以看 出，驱动装置前置时，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。 而采用如图2 4 所示的后驱动方式，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 高了船体表面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 一一 ( a ) 前驱动f ”后驱动 图2 4 采用不同驱动方式时履带的内张力分布 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。 1 6 堕笙亟王矍查竺堡堂堡堡苎 2 4 刷具设计 船体表面清刷机器人作为一个载体，实现了吸附和移动功能后，还应 具有一定的作业功能，即携带作业工具完成特定的作业任务。因水下船体 表面是非平面，特别在船艏、船艉以及船体表面的焊缝处，要求刷子相对 船体表面有一定的适应能力。即要有清刷作业的旋转运动，同时也应具备 适应船体表面的凸凹变化的柔性功能。 本课题研制的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船体表面清刷机器人本体中间，这样就只有 一个刷子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【“。 2 4 1 刷子结构设计 如图2 5 所示刷子结构图，刷子是由刷盘和刷丝构成的，同时为了减小 转动惯量和以及减少重量，刷盘采用轻铝合金材料l y l l ，直径b 3 0 0 m m ， 在刷盘边周围均匀的铣孔；刷丝采用淬火不锈钢丝，不仅刷丝较硬且弹性好。 考虑到磨损及保持刷丝应具有一定的刚度，及为达到良好的清刷效果，采 用其直径为毋o 4 的钢丝，裸露长度为5 0 n u n ，通过编制固定在孔中，并用 以胶加固在刷盘周孔中，根据穿制工艺的要求进行穿制，这样就可以使刷 图2 5 刷子结构图 1 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 丝编织固定在刷盘上，并加胶进行胶固，这样刷丝可以安全可靠地固定在 刷孔d a 2 3 1 。 2 4 2 清刷装置旋转和往复机构的设计 旋转功能的实现原理：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。水下电机为清刷装置的动力 源，水下电机重量轻、启动性能好，其输出经过减速器减速，使输出转速 变为2 8 0 r m i n ，使刷子在水中的清刷搅水损失尽量小，减速器采用n m r w 0 4 0 ， 其减速比为1 ：1 0 。船体表面清刷机器人主要应用于大型船舶，根据船体表 面清刷机器人在船体表面的局部曲度变化，使刷子在船体表面清刷机器人 的爬行面能作向上2 0 m 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。如图2 6 所示，清刷装置旋转和往复机构结构 1 下传动杆2 端盖3 滑动轴承4 外套筒5 压缩弹簧6 上传动轴7 。 传动键8 沉头螺钉9 左右连接板l o 减速器 图2 6 旋转和往复机构结构 图往复运动功能的实现原理，刷丝末端在船体表面清刷机器人履带爬行面 时，弹簧在一定预压力的情况下，处于中位。当清刷面接近清洗刷中位时， 在上旋转轴带动下旋转轴旋转的同时，下旋转轴上的键槽沿着固定在上旋 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转轴上的平键相对于上旋转轴作釉向的移动，迫使弹簧在中位的基础上进 一步被压缩，从而使刷子和下旋转轴沿着清刷平面的外法线方向运动；在 清刷过程中，当清刷面背离船体表面清刷机器人爬行面时，弹簧力使刷子 压向船体表面，迫使刷子和下旋转轴沿着清刷平面的外法线相反方向运动， 因保持在旋转的基础上又具有一定的压力，继而实现刷子清刷功能。 从而确保了实现清刷平面接近或背离弹簧中位时，船体表面清刷机器 人载体所载刷子始终在一定压力范围内能对船体表面进行正常的清刷作 业。 船体表面清刷机器人作为一个载体，实现了吸附功能和移动功能后， 还应具有一定的作业功能，即携带作业工具完成特定的作业任务。 本论文研制的船体表面清刷机器人携带的作业工具是清洗刷，清洗刷 是水下机器人常用的一种作业工具，通常安装在机器人的前部框架上，是 两个做旋转运动的圆盘钢丝刷，在机器人载体的移动过程中，完成清刷作 业，这种清洗刷具适用于清洗具有较大表面的物体。 2 5 船体表面清刷机器人的检测方案 船体表面清刷机器人的检测系统是保证机器人在船体表面工作时按正 确的路线运动的前提，同时也是机器人避开障碍而不脱离船体表面所必须 的。针对船体表面清刷机器人的具体结构和实际的工作要求，确定了机器 人的检测方案，如图2 7 所示。 图2 7 清刷机器人检测方案 1 船体表面清刷机器人定位系统：能实现实时地对机器人的位置和姿 态的检测。船体表面清刷机器人在清刷过程中自身的位置和姿态是不断变 1 9 哈尔滨：r = 程人学硕十学位论文 化的，机器人根据所检 测的位置和姿态信息进行定位，保证机器人按正确的路线进行工作。 2 船体表面清刷机器人越障检测系统：能实时地进行障碍的检测。当 机器人在运动过程中遇到船体表面上无法越过的障碍物时，能检测出障碍， 从而避开障碍，保证机器人不从船体表面上脱落，使其有效地进行工作。 3 船体表面清刷机器人安全检测系统：能实时地进行机器人控制箱漏 水检测、机器人线路漏电检测，保证船体表面清刷机器人的控制部分能在 一个安全的环境中工作。 2 5 1 船体表面清刷机器人的定位系统方案 船体表面清刷机器人定位系统采用的传感器主要有电子罗经、和压力 变换器组成。电子罗经安装在船体表面清刷机器人的控制箱下方，可检测 方位角、纵倾角( 俯仰角) 和横倾角( 横滚角) 。方位角和横滚角的检测用于 机器人姿态的监控，当方位角的偏转角度达到一定值时，可在p c 机上进行 报警，通过控制系统进行修正，保证其正确的行驶方向。俯仰角作为机器 人的姿态角，并用来计算机器人的位置。深度传感器( 即压力变换器) 与一 条同复合缆并行的水管相连，通过作用在水管上的压力的变化检测机器人 的深度信息j 。 船体表面清刷机器人定位系统的位置信号的检测与处理均在l a b v i e w 的平台上实施，主要由信号调理模块、信号采集模块、多路开关、信号分 析与处理程序、显示与存储等部分组成。定位系统的组成如图2 8 所示。 l方位角、纵倾角、横倾角 信 信 号号l a b v i e w j 7 调采信号分析 l垂直距离。 理 集 余处理系 模模统 l 7 块块 图2 8 清刷机器人定位系统组成示意图 哈尔滨j ：程大学硕士学位论文 2 5 2 船体表面清刷机器人的越障检测系统方案 船体表面清刷机器人在船体表面上向前行进的过程中，可能遇到船体 表面上较大尺寸的附着物，此时，机器人必须能判断出是否能通过此障碍 物，如果强行通过，极有可能导致机器人从船体表面脱落，失去工作能力。 因此，机器人必须有检测前方障碍并判断是否能通过的能力。移动机器人 常用的避障检测方法，是基于红外线、超