（机械电子工程专业论文）水下船体表面清刷机器人磁吸附驱动装置的研究.pdf

堕堑堡兰矍查堂塑主堂笪堡苎 摘要 本课题是黑龙江省归国留学人员基金项目。本文主要完成水下船体表面 清刷机器人的本体设训和原理样机的研制。并时控制系统进行了初步的设计。 本文在阐述了幽内外壁面爬行机器人发展的状况后。根据工作的王不境与 特点选择了双履带、永磁铁吸附方式的总体结构。 水下船体表面清刷机器人本体的研制，主要难点有磁吸附结构的设计、 本体结构的设计和驱动方式的选择。其中，磁吸附结构的设计和本体结构的 设计是比较刚难的。 本体结构设计时则充分考虑减轻重量、简化结构。传动机构选用了链传 动。 驱动方式根据实际情况选择了交流伺服电机。 水下船体表面清刷机器人的力分析是磁路系统设计和驱动结构设计的基 础。本文刑+ 静态和动态两种状态进行了分析。 磁吸附结构的设计主要内容有磁路的设计、划装和连接结构的设计。在 本文中，我们选择了甲型磁路。从防腐、减轻冲击和增大摩擦力的方面考虑， 选用橡胶封装。连接结构采用了将链节外板更换取代，加以连结的结构。 机器人在海水中工作，防腐和密封时必须考虑的。因此，在本文中专 门对此进行了研究。 水f 船体表面清刷机器人采用了两层控制系统，上层处理机器人管理 和路径规划，l ：层用于机器人的姿态和运动控制。 最后，介绍r 水下船体表面清刷机器人的性能试验情况。试验结果表明， 哈尔滨l 。剧人学硕+ 学位沦文 研制的船体表面清刷机器人，各项性能指标达到了设计要求。 关键词：壁面移动机器人：船体表面；磁吸附 堕叠鎏三堡奎堂堡主堂垡堡塞 a b s t r a c t t h eu n d e r w a t e rs h i ps k u l lc 1 e a n i n gr o b o tr e s e a r c h e d i ss u p p o r t e d b y 劢p h e i l o n g j i a n g h o m e c o m i n g s c h o l a r f u n d , i nt h ep a p e r w ea c c o p l i c h r o b o t d e s i g no fb o d ys t r e t u r ea n dc o n t r o ls y s t e m i nt h ep a p e r ，w ec l a r i f yt h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no fu n d e r w a t e r c l e a n i n gt e c h n o l o g ya n dt h ew a l e li m b i n gr o b o t ，o u ta n di nt h ec o u n t r y a c c o r d i n gt ow o r ks i t u a t i o n ，w es e l e c td o u b l ec r a w l e rm o v e m e n ta n d p e r m a n e n tm a g n e t jca d s o r p tio nf o rt h er o b o t t h er e s e a r c ho fu n d e r w a t e rc l e a n i n gr o b o tis d i f f i c t 】t yi nt h e d e s i g no fm a g n e t i ca d o p t i o ns t r e t u r ea n db o d ys t r u c t u r e ，t h es e l e c t o fd r i v e t e c h n o l o g y e s p e c i a l l y ，t h ed e s ：i g no fm a g n e t j ea d o p t i o e s t r c t u r ea n db o d ys t r u c t u r ei sm o r ed i f f i c u l t y t h ed e s i g no f m a g n e t i cc it c u jts t r c t u r ejn e lu d e m a g n e t jcc i r e u it a n dc a p c u l ea n dj o l ts t r c t u r e w es e l e c tam o d e l ，a n dr o b b e rc a p c u l e i nt h eb o d ys t r u c t u r ed e s i g n i n g ，w et h i n ko v e rw e i g h ta n d s t r u c t u r ec a r e f u l l y w es e l e c tc h a i ng e a r i n g t h er o b o tf o r c ea n a n y s i si sf o u n d a t i o no fm a n g n e t i ca d o p t i o n s y s t e ma n dd r i v i n gs y s t e m w ea n a n y s i st w ot y p e ro ff o r c es t a t e ：s i l e a c e a n dd y n a m i c w ea 1s or e s e a r c he n c a p s u a t i o na n da i r p r o o f o fr o b o t b e c a u s e r o b o lw o r kies e aw a t e r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t h ec o n t r o ls y s t e ma p p l yt w ol a y e rc o n t r o ls y s t e m u p p e rs y s t e m i s r e s p o n bf o rt h em a m a g e m e n ta n dp a t hp l a n n i n go ft h er o b o t ，a n dt h e i o w o ri sr e s p o n b l ef o rt h ec o n t r o l l i n go ft h em o v i n ga n gp o s t u r eo f a ll a s t p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t sf o rt h er o b o ta r em a d e t e s t r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e v e l o p e ds h i ph u l l c l e a n i n gr o b o t i si n a c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g n s p e c 【f i c a t i o n s k e y w o r d s ：w a l 卜c l i m b i n gr o b o t ；s h i ph u l l ；m a g n e t i ca d s o r p t i o n 哈尔滨j 二程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 i 引言 二十一世纪是海洋的世纪，海洋在国民经济中的作用i = i 益显现出来，随 着世界经济的发展，船舶作为海卜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。针对船舶清刷的问 题，各国都进行了研究，一些西方国家已开展了水下清刷设备的研究【】1 ，但 有的还是需要潜水员下水操作。我国的中科院沈阳自动化所也研究了一种潜 水员使用的用于清刷海洋石油钻井平台的作业工具。而需要潜水员也有着明 显的问题，即工作效率低和作业人员耗费比较大。 而用机器人来替代人的操作，将会大大节约劳动力，降低潜水员的劳动 强度，提高修船效率。为了提高我国在世界修船业中的地位，很有必要进行 水下船体表面清刷机器人的研究。 1 2 壁面移动机器人的国内外发展概况 壁面移动机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术为一体的高技 术产品，国外从8 0 年代以来取得了迅猛的发展，有的已开始进入实用试验阶 段。其中尤以r 本发展最快。国内起步较早的是哈尔滨工业大学机器人研究 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所。下面我们将介绍国内外的一些具有代表性的壁面移动机器人。 1 2 1 国外壁面移动机器人的发展概况 1 9 7 8 年，同本化工机械技术服务株氏会社研制开发了两种用于核电站壁 面除污的爬壁机器人p c 型和p d 型。这两种机器人均为单吸盘结构，利用抽 气泵产生负压，无自身行走能力，靠绞车拖动。此后又开发出了一种“w a l k e r ” 的机器人，如图1 1 所示。该机器人有上下两个滚子，左右有两个行走带轮， 滚子和带轮围成真空室，出电机驱动带轮带动滚子移动，通过带轮的转速差 实现转向。 吲1 1 “w a l k e r ”机器人 图1 2 喷涂机器人 口本三菱重工业公司推出了一种轮式磁吸附喷涂爬壁机器人【2 】i 如图1 2 所示。该机器人可吸附在2 0 m m 以上厚度的磁性结构物上，磁吸附力可达 2 0 0 0 n ，其结构尺寸为8 0 0 m m 5 0 0 m m 2 0 0 m m ，重4 0 0 n ，装在一个重2 0 0 n 的喷涂架上。机器人通过三个伺服马达分别驱动三个轮子进行移动，由前轮 实现转向，移动速度为1 0 m m i n ，喷涂速度为l m 2 m i n 。 1 9 8 7 年，日本日立制作所的内藤绅司等人开发了履带式磁吸附检查机器 2 哈尔滨i ：程人学硕士学位论文 人【”。将永磁体镶在链条上形成磁性履带，履带吸附于壁面并移动，如图1 3 ( a ) 所示。为了避免出现载荷集中现象，又开发了一种适用于平面的负荷分散机 构，即在履带卜加了一根刚性导杆，使履带由铰链联接变为刚性联接，从而 使载荷均匀分布在各永磁体上。该机器人的结构尺寸为3 9 0 m m 3 1 0 m m 9 0 m m ，自重7 6 n ，可跨越1 3 h m 的突起焊缝，最大移动速度可达1 0 m r a i n ， 如图1 3 ( b ) 所示。之后又将刚性导杆分割成多段，用连杆多级联接，研制了 适用于曲面的负荷分散机构，如图1 3 ( c ) 所示。为了使结构对称，机构的重 心始终处于中心位置，导杆分割的个数必须为2 的幂次方。其外形尺寸为 6 5 0 m m 4 5 0 r a m 1 5 0 m n a ，自重为2 7 0 n ，可跨越平面上的1 3 m m 的突起和 半径2 m 的曲面外侧的1 0 m m 的突起部分。 ( a ) ( c ) 幽1 3 域吸附履带结构 1 2 2 国内壁面移动机器人的发展概况 从国内的发展状况来看，哈尔滨工业大学、北京航天航空大学和上海交 通大学对壁面移动机器人开展比较早，同时技术上也是比较成熟的。其中， 哈工大机器人研究所对真空吸附和磁吸附壁面移动机器人的研制都取得了一 定的成果。 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1 4 ，如图1 4 所示。采用“十”字框架式结构，本体 3 哈尔滨工程人学硕士学位论文 上安装有气压驱动装置，可b 区动两框架作相对运动以实现机器人在壁面上沿 x 或y 方向移动。机器人有8 个真空吸盘，由空气压缩机产生的高压射流产 生真空，由气缸的伸缩运动来实现吸脱动作。机器人重2 5 0 n ，移动速度慢， 接线多，不易控制。 哈尔滨丁业大学于1 9 9 4 年开发的c l r i 型壁面清洗爬壁机器人是专为 瓷砖壁面清洗而设计制造的。由于清洗作业对定位要求不高，它采用负压吸 附，用两轮移动取代了全方位移动机构，为有线遥控方式，可负重5 0 n ，爬 行速度为0 - - 1 0 m m i n 。在i 型的基础上，又研制了专为清洗玻璃幕墙的c l r i i 型爬壁机器人。它采用双轮式负压吸附，遥控盒与机器人之叫通过电力线 载波遥控操作，爬行速度为18 m m i n 。带有安全吊挂小车，一方面提升电 缆的重量，减轻机器人的负重，保证机器人具有一定的爬高能力，另一方面， 起到保护机器人本体的作用。壁面清洗机器人如图1 5 所示。 幽1 4 擦窗机器人图1 5 壁面清洗机器人 上海交通大学从1 9 9 2 年丌始研制测量油罐容积的履带式永磁吸附爬壁 机器人 ”。该机器人用永磁铁作为磁吸盘元件，磁吸盘连接在链条上，具有 磁性定向转位机构利力分散机构。机器人不含电缆重1 4 6 n ，可负重2 0 0 n ， 行走速度2 m r a i n 。 4 哈尔滨j i 程火学硕士学位论文 哈尔滨业大学从1 9 9 1 年玎始研制用于石化企业金属罐的喷砂除锈、检 测涂层厚度和喷漆防腐的履带式永磁吸附爬壁机器人】，如图1 6 所示。爬 行速度为2 8 m m i n ，有线遥控，负重能力达到3 0 0 n 以上。在机器人的后 部增加了个万向轮，可防止机器人发生倾覆现象。 1 9 9 7 年，开发了适用于电站锅炉水冷壁排管清扫、敲渣、测厚的履带式 永磁吸附爬壁机器人试验样机旧，如图1 7 所示。永磁吸附块形状呈弧形， 与管壁形状相吻合，减少了磁路中的气隙提高了磁吸附力。履带用密封罩进 行密封并设计了气压回路，进一步防止磁吸附块对铁削的吸引。爬行速度为 2 9 m m i n ，有线遥控，遥控距离大于6 0 m ，负重不小于4 0 0 n 。 蚓1 6 喷涂、检测机器人 图1 7 水冷壁清扫、检测机器人 1 3 主要研究内容 要实现机器人在船体表面上自由移动，必须具备吸附功能和移动功能。 这是研究的主要难题。 吸附功能是机器人币常工作的关键，它的难点在于：1 ，采用永磁铁还是 采用电磁铁。2 ，磁性材料的选择。3 ，磁路结构的设计。 5 哈尔滨1 程大学硕士学位论文 移动方式有多种方式，如何选择合适的移动方式是很重要的。 水下清刷机器人工作在水下，所以必须考虑水下防腐蚀问题。 因此本课题的主要工作是： 1 清刷机器人本体结构的研究和设计 根据水下清刷机器人的使用环境、技术指标的要求和系统组成，设计机 器人的本体结构。 2 清刷机器人磁路结构的研究和设计 根据清刷机器人的力学分析来进行磁性材料的选择，磁路类型的确定， 磁路工艺的研究和磁路结构的设计等。 3 清刷机器人控制系统的研究和设计 清刷机器人的控制系统采用上位机和下位机串行通讯方式，主要完成控 制系统的软件编制和硬件设计，实现驱动电机的速度控制、机器人位姿的控 制和清洗刷具作业的控制，保证机器人在船体表面按预定的轨迹移动和完成 清刷作业。 4 原理样机的调试 在实验室搭建实验平台，检测清刷机器人的吸附、移动和清刷作业功能， 检测清刷机器人的各项性能指标是否满足设计要求。 6 哈尔滨i i 程人学硕士学位论文 第2 章水下船体表面清刷机器人本体的设计 2 1 引言 水f 船体表面清刷机器人的主要任务是清除水下船体表面附着的海生 物，同时也iz j 以以这种机器人作为母体丌发水下船体表面喷漆，探测等机器 人。爬壁机器人的最基本功能是吸附功能和行走功能。 同时因为工作壁面是船体表面，考虑到船体表面积较大且表面曲率变化 的不一致且有突起的焊缝，海生物所造成的作业环境也比较复杂。因此我们 对水下船体表面清刷机器人提出了以。f j l 点要求： 1 吸附功能比较陆上爬壁机器人要大。这主要是因为水下环境较复杂。 2 驱动功能要强，这是因为海生物附着能力强，清刷需要较大的能量， 随之，要求的驱动功能要强。 3 抗倾覆能力强，由于作业环境和作业性质的特殊性，机器人必须能够 跨越焊缝以及没清除干净的海生物。所以机器人要有一定的适应壁面 凹凸不平的能力。 因此针对上述各项要求，将进行机器人的本体设计，主要是对机器人的 吸附方式和驱动方式进行设计。 2 2 水下清刷机器人本体结构设计 2 2 1 吸附方式的选择 爬壁机器人的吸附方式有三种，真空吸附，磁吸附和推力吸附。三种吸 7 哈尔滨1 。程大学硕士学位论文 附方式的比较如表2 1 ：从表中可以清楚地看出三种吸附方式的特点。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，选用磁吸刖法。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，故选用永磁铁吸附方式。 表2 1 壁面移动机器人吸附方式的比较 吸附方式优点缺点 真 单吸鼎 允许有一定程度的泄露面积，允吸盘无冗长性，一邑泄露晕超过 空 许鼙面有凹凸界限，本体将诞失吸附能力 吸 吸盘尺寸小，易实现轻量化，冗尚壁面有凹凸或裂缝时，将会有 附 多吸盘 长性好泄露 磁 永磁体 维持吸附力不需要外加能量，安步行时磁体与壁面分离需施加 吸 全性好很大的力 附 很容易实现磁体与壁面之间的离维持吸附力需要电能，且电磁铁 电磁体 合，易实现快速移动本身的重量也根重 不存在泄露问题，对壁面形状、产生推力的装置噪音大、体积 推力吸附 材料适应性强火，效率低 2 2 2 移动方式的选择： 移动方式有三种，即车轮式、履带式、步行式。三种方式的对比如表2 2 表2 2 壁面移动机器人移动方式的比较 移动方式原理优点缺点 配置多个轮子，由电移动速度快，转弯容着地面积小，维持一定的 1 j 轮式 机独立驱动易吸附力较困难 由电机驱动两个无着地面积大，易产生 履带式 轨道履带较大的吸附力，对擎体积人，不易实现转弯 面的适应性强 8 哈尔滨1 稗人学硕士学位论文 由多个脚或框架的 步行式 反复吸附与脱落进 带载能力强移动困难，行走速度慢 行移动 经过分析和对比，我们选择了双履带式，原因如下 1 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! j - 其上所镶嵌的磁块数量近似成f 比，这样可保证在增加吸附力的同时，又可 灵活地适应船体表而。 2 双驱动方式同单驱动方式相比具有控制灵活，转弯简单的优点。机器 人不必配备转弯装置。 1 链条2 永磁体块3 主动轴4 万向轮5 减速器6 交流饲服电机7 联轴器 8 主动链轮9 矽 侧板1 0 张紧螺钉11 从动链轮1 2 支撑架1 3 抗倾杠杆1 4 从动轴 图2 1 清刷机器人本体结构图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 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，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。 所以，水卜清刷机器人选用了永磁铁吸附的双履带驱动方式。 水下船体表面清刷机器人结构简图如图2 1 。 2 3 吸附机构的设计 机器人的吸附机能是由固定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2 1 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，然后由伺服电机输出驱动力矩经减速器减速后驱动 主动链轮，进而带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。 2 4 传动机构 2 4 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，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 1 0 哈尔滨1 程人学硕士学位论文 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 带翼板的滚予链，以便在改形后的外侧翼板上镶嵌磁块 旧1 。 2 4 2 链传动主要参数的确定 1 链轮齿数互、z ，和传动比j 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 = 1 。 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3 9 1 ，其型号为：1 2 a 一1 8 4 g b l 2 4 3 卜8 3 ，该滚子链的节距p = 1 9 0 5 m r f l 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 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，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。 所以，水卜清刷机器人选用了永磁铁吸附的双履带驱动方式。 水下船体表面清刷机器人结构简图如图2 1 。 2 3 吸附机构的设计 机器人的吸附机能是由固定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2 1 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，然后由伺服电机输出驱动力矩经减速器减速后驱动 主动链轮，进而带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。 2 4 传动机构 2 4 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，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 1 0 哈尔滨1 程人学硕士学位论文 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 带翼板的滚予链，以便在改形后的外侧翼板上镶嵌磁块 旧1 。 2 4 2 链传动主要参数的确定 1 链轮齿数互、z ，和传动比j 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 = 1 。 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3 9 1 ，其型号为：1 2 a 一1 8 4 g b l 2 4 3 卜8 3 ，该滚子链的节距p = 1 9 0 5 m r f l 。 哈尔浜j 程入学硕十学位论文 3 ，链传动的中心距a 和链节数。 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，丑链条在主动链 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 o = ( 3 0 5 0 ) p ，从减小机器人的体积考虑，取口。= 3 0 p 。 链节数 铲等+ 半+ ( 等) 2 昙堋( 书 ( 2 _ 1 ) 考虑使磁块均匀分布在链条上，并且每4 个链节安装个磁块，所以取 厶= 8 4 节。 链传动的理论中心距 舭舢，一半) + 扛一半) 2 _ s ( 等) 2 刊，( m m ) ( 2 - 2 ) 实际中心距 珂= 口一口= 口一o 0 0 2 a = 5 4 1 ( r a m ) 佗3 ) 4 链轮的主要尺寸 分度圆直径 齿顶圆直径 d = ；= 1 6 4 ( m m ) ( 2 - 4 ) 1 8 0 。 s 1 n z 吒= d + i 2 5 p d ，= 1 7 4 ( m r l l ) 1 2 ( 2 5 ) 哈尔滨，j 一程人学硕士学位论文 式中：d 。一滚子链的滚子外径，d ，= 1 1 9 1 m m 。 齿根圆直径 d ，= d d ，= 1 5 2 ( m m )( 2 - 6 ) 分度圆弦齿高 h 。= ( 0 6 2 5 + o 8 z ) p o 5 d ，= 6 2 5 ( m m ) ( 2 - 7 ) 齿侧凸缘直径 蟠p c o t 等- , 0 4 h 2 - 0 而= 1 6 2 ( m m ) ( 2 - 8 ) 式中：矗2 一滚子链内链板高度，h 2 = 1 8 0 8 m m 。 齿宽 b ，= 0 9 5 b l = 11 9 4 ( m m )( 2 _ 9 ) 式中：b 一内链节内宽，b = 1 2 5 7 m m 。 2 4 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，1 来表示。 合适的松边垂度为厂= ( o 0 1 一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，也需适阡寸 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 2 所示。当链条太松时，通过调整位于从动链轮两侧 的张紧螺钥，使从动链轮向远离主动链轮的方向移动，从而加大了两链轮的 哈尔滨工程火学硕士学位论文 中心距，起到了调整链条松紧的作用。 图2 2 链条张紧装置 2 5 履带驱动方式的选择 1 从动链轮 2 ，从动轴 3 张紧螺钉 4 外侧板 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 3 所示m 6 1 。其中( a ) 为前驱动方式，( b ) 为后驱动方式。图中死为履带的总预张力，r 为主动轮上的牵引力，丘女为 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。主动轮上的牵引力足，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足t 包括了所有作用于履带上的牵引力，即； t 。= c ，+ 瓦。 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 3 ( a ) 町以看出， 1 4 哈尔溟工释大学硕士学位论文 驱动装置前罱时，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 ( b ) 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。 一一 ( a ) 前驱动 ( b ) 斤驱动 图2 , 3 采用不同驱动方式时履带的内张力分旆 2 6 本章小结 在本章中，针对水下清刷机器人作业环境和作业性质，提出了机器人 的各项性能要求。并钊对这些性能要求，进行了设计。成功的做到了机器人 在壁面上稳定的行走和可靠地进行作业。 水下船体表面清刷机器人的本体结构的基本参数： 1 5 哈尔滨 - 程火学硕+ 学位论文 重量：7 0 0 n - 尺寸： 0 0 0 1 0 0 0 3 0 0m m 3 _ 承载量：) 4 0 0 n 1 6 哈尔滨 程人学硕士学位论文 第3 章驱动方式的设计 3 1引言 驱动方式是机器人运动的执行机构。对驱动机构的性能要求是“ 1 ，惯性小，动力大 2 ，体积小，质量轻 3 ，便于维修安装，准确可靠 4 ，可用微机控制 3 2 驱动方式的选择 3 2 1 驱动电机的种类 驱动方式一般采用电机驱动。因为电机驱动操作简便，容易编程，能实 现定位伺服，响应快，易于c p u 连接，体积小动力大。驱动电机有a c 、d c 伺服电机、步进电机。它们的特点如下： 1 直流( d o ) 伺鼹电机 直流( d c ) 伺服电机响应迅速，精确和效率高，控制特性优良。它的原 理是通过电刷和整流子产生的整流作用，使磁场磁动势正交，从而产生转矩， 是理想的转矩产生装置，基本上可以覆盖伺服特性的全范围，从一一般响应到 高速响应，其特征是电枢电感小，电势常数小：设计上也考虑了减小转矩的 脉动，控制简单、性能良好；电流或转矩的线性范围宽，即是瞬时电流大也 1 7 哈尔滨i 群大学硕士学位论文 不会出现去磁或整流恶化；大多使用永久磁铁磁场。 2 交流( a c ) 伺服电机 交流( a c ) 伺服电机检测气隙磁场的大小和方向，用电力电子交换器代 替整流子和电刷，并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙方向垂直 的有效电流来控制其主磁通量和转矩。 随着可控硅( s c r ) 即控制用晶体管的发展，交流电机进入逆变器为基 础的时代。矢量控制方法的产生即微电子的发展使交流伺服系统成为可能。 矢量控制是一种控制交流电机瞬时转矩的方法。原理是把交流电机解析成直 流电机一样的转矩发生机构，按照磁场合f 交的电流之积就是转矩这一基本 原理。从理论上将电机的一次电流分量分离成建立磁场的励磁分量和与磁场 正交的产生转矩的分量，然后分别进行控制。 3 步进电机 步进电机又称电脉冲马达。步进电机输入一个脉冲就转动一步，无脉冲 就原地制动。对微机或电子逻辑电路控制而言，实现数字控制是最方便的， 常用来作微机的外围设备，如打e p s j l 、x y 记录仪和软盘装置等。有控制器 发出的脉冲控制信号序列，经环形分配器，在经功率放大，依次分配给步进 电机的各相产生旋转磁场。由于每个脉冲时期转子回转一个步距。所以脉 冲序列的脉冲数量决定了总转角，也就决定了执行机构的运动行程；脉冲频 率则决定了回转速度。步进电机常用于位置和速度的开环控制，如果加上执 行机构位置和速度的检测反馈环节，也可用于闭环系统。 32 2 交流伺服系统工作原理 考虑机器人的特殊作业环境，以及近几年来交流伺服电机的迅速发展， 1r 哈尔滨，1 ：程人学硕二i 学位论文 我们决定选用交流伺服电机。 交流伺服系统工作如图3 1 所示，由插补器发出速度指令，在比较器中 与检测起来的信号相与后，经过放大器发出转矩指令m 。其矢量处理电路有 转角计算回路、乘法器与比较器等组成。检测器的输出信号也送列矢量处理 电路中的转角计算网路，将电机的删转位置变换成三种电流信号，经放大与 电机回路的电流检测信号比较，经脉宽凋制电路p w m 调制后，控制三相桥 式晶体管电路，使交流伺服电机按规定转速旋转，并输出所需转矩。检测器 检测的信号还可送到位置控制回路，与插补器来的脉冲信号进行比较完成 位置 位 指 图3 1 矢量控制图 检测 器 伺服驱动电机驱动原理如图3 2 ，它由比较器、前置放大器、方向选择 电路、功率放大器( 正反两向的预放及功放电路) 、位移或转角变换器等部分 组成。由控制系统送来的标准控制信号即反馈信号比较后输入到前簧发大器。 放大后信号送到方向选择电路，方向选择电路根据前置放大器输出信号的大 小和极性，决定是否向功率放大器输出信号盒向那个方向的功率放大器送信 号。当信号在死区范围使就不送信号给功率放大器。当信号幅值超过死区并 为正值时，正向功率放大器得到输入信号，伺服系统正转，位移或转角变送 1 9 哈尔滨工程大学硕：l ：学位论文 。扫匿匣蚕位 l 匣型蛩i “噶 图3 2 伺服电机驱动部件原理图 器的输出也小断上升，此时信号与控制信号的差值就减小。直到进入死区， 方向选择电路的输出为零，伺服电机停止在新的位置上。达到输出位移或转 角相对应的目的。 驱动机构选用f 1 本安川电器公司生产的一l 系列的s g m l 一0 2 a f l 4 的交 流伺服电机。该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3 1 。 表31s 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重 功率转矩大扭矩转速电流电压惯鼙m r w l ( n i n ) r n m )( r m i n )( a )( v ) f k g m )( k ) 2 0 00 6 3 71 9 l3 0 0 02 02 0 0 0 1 2 3 1 0 4 1 1 哈尔滨t ：程大学硕十学位论文 每个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， 伺服电机将不能运动。和s g m l0 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 一0 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3 2 。 表3 2s g d l 一0 2 a s 型伺服单元的性能指标 最火输出电流输入电源控制方式反馈重量 ( a )( 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 0o9 5 0 6 0 h z止弦波驱动 1 0 2 4 p r 采用单片机的交流伺服电机伺服系统的硬件框图如图3 2 ，除电流环因考 虑到其快速性而采用模拟方式外，伺服电机的速度、位置控制( 速度环、位 置环) ，则都由单片机来完成，包括电流相位的检测，运算，三相电流的生成， 速度的检测及运算，p i 控制，位置的检测，旋转方向的辨别等。 图3 | 3 中s p w m 位正弦波脉宽调制器，他的输出信号是一方波脉冲，方 波的宽度是按正弦规律变化的。通讯口可接受上位机发来的各种命令，并将 伺服系统的各种状态信息转向上位机。上位机发出的命令主要有位置，速度 给定，伺服系统工作方式的给定，坐标系的给定、位置环增益、速度环增益 及积分时削常数的指定，反向间隙补偿的给定等。伺服系统向上位机传送的 信息由各种报警信号，坐标位置等。位置控制时，位置量是由控制电机旋转 脉冲个数所决定，运行速度的高低由单位采样时间内的脉冲个数所决定，加 速度的速率u 由上位机通过软件来改变。 2 1 哈尔滨i 程人学硕十学位论文 图3 3 交流永磁电机伺服系统 系统的工作过程为：来自光电编码器的a ，b 两路脉冲信号，经光隔送 入控制回路，通过整形、鉴相、分频和倍频后送入单片机系统，微机将这些 信号进行处理，计算出永磁电机的位置，旋转速度和方向，计算出位置量与 给定量相比后，利用软件实现位置的比例控制。同时计算机将反馈的电机速 度量与给定两相比较后，通过数字式比例积分控制器算出速度控制量，然后 根据电机的有关参数及负载参数计算出电机加、减速时所需的力矩，得出给 定电流的大小及相位，并利用查表方式输出对应的正弦数字量，经d a 变换 2 2 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 生成给定电流模拟量。该模拟量给定量于所检测反馈的电流量再经电流调节 器输出电流控制信号，电流控制信号与三角波相比较产生正弦脉宽调制信号 ( s p w m ) ，将该信号送给电压型逆变器，输出挎制电压，以控制电机的旋转。 3 3 减速器的选择 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，爿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3 3 。与一般 的齿轮传动相比，行星齿轮传动有其显著的优点： l 高输出扭矩； 2 空回小、效率高； 3 承载能力强； 4 。低噪音 m 组 ( 4 - 2 8 ) 所以，清刷机器人在船体上转弯的条件为： l 警( 4 - 2 9 ) ， 4 4 本章小结 3 4 哈尔滨：程大学硕士学位论文 本章主要研究了清刷机器人机器人的受力分析。清刷机器人的力分析对 j 一壁面爬行机器人的设计至关重要。 在这里，我们从静态受力分析得到磁吸附系统的设计依据，知道了对于 擘面爬行机器人的静j p 状态，与磁吸附系统设计有关的只是清刷机器人下滑 这种状态。而向后翻滚、向下滚这两种状态，磁吸附系统都无法发挥作用， 但它们却是抗倾覆机构设计和伺服电机所需的制动力矩的依据。 而动态分析则是驱动电机设计的主要依据。从向上和向下两种运动状态 的分析和计算得出，应该把向上所得出的数据作为设计依据。 运动状态中的转弯所产生的力矩对于机器人的履带结构的设计来说是非 常重要的。 3 5 哈尔滨j 一程人学硕士学位论文 第5 章抗倾覆机构的设计 5 1 抗倾覆结构的设计 普通的履带式移动机器人在竖直壁面移动时，由于清刷机器人的结构和 自身的重力等外力的作用，将导致履带前端的磁块远离壁面，这样就极大地 降低了磁块的吸附力，当和船体表面吸附的磁块的总吸附力不足以平衡机器 人所受的其它外力时，机器人将发生倾覆现象。在穿越障碍、受到冲击等情 况下，这种现象尤为突出。机器人要平稳可靠地完成作业任务，保证磁块和 船体表面处于良好的吸附状态是至关重要的。国内外的研究机构在研制壁面 爬行机器中，在解决这个问题时，一种方法是采取了在履带上安装载衙分散 机构，目的是使镶嵌在履带上的磁吸附结构能够适应凹凸不平的壁面环境， 这种方法既提高了磁吸附能力也提高壁面机器人的抗倾覆能力。这种方法的 缺点是比较麻烦；另一种方法式采用在壁面爬行机器人上安装抗倾覆轮，这 种方法简便而且实用，我们也采用了这种方法。在机器人的后部安装两个万 向轮，利用栩杆原理，防止清刷机器人向后倾覆。其结构见图5 1 所示。图 5 2 所示为加抗倾机构的机器人在船体表面静止时的受力情况。 5 2 抗倾覆结构的原理 清刷机器人抗倾覆机构如图5 1 ，主要由抗倾轮( 这早采用普通万向轮) ， 弹簧，连杆组成。连杆通过一个支点于清刷机器人本体固联在一起，连杆的 一段连在万向轮上，另一端压在本体的前端。 3 6 哈尔滨上程大学硕士学位论文 5 1 抗倾覆机构 1 凸起物2 船体表面3 带有螺栓的万向轮( 防倾轮) 4 连接在本体上的导向管及连杆5 弹簧6 固定螺栓 防倾覆机构的原理是当防倾轮3 越过凸起物时，机器人本体向外倾斜， 有向外翻滚的趋势，此时连杆4 压紧弹簧5 ，弹簧5 被压缩产生反向作用力， 通过连杼对本体产生反倾覆力矩，压迫本体贴紧壁面，防止机器人向外翻滚。 这里导向杆和连杆是一体的，作用是防止防倾轮自身倾斜以及连接防倾轮与 机器人本体。 5 3 抗倾覆机构的计算 机器人运动时，受力如图5 2 ，由于抗倾机构是与机器人本体固连的，而 履带是柔性连接的，假设履带没有磁性，在没有磁吸附力的作用下，机器人 不发生倾覆来计算抗倾力的，计算时忽略了海水的浮力和波浪的扰动力的影 响。 3 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对a 点取矩有 m = 一。，+ n c o s f l h l - g 】s i n f l f 0 一g 】c o s f l h ( 5 1 ) d 图5 2 抗倾机构受力分析 式中：r 一船体表面对万向轮施加的支承j j ( n ) ； ，j 一万向轮与船体表面的支承点到a 点的距离f m ) ； 一船体表面对履带前端的支承力( n ) ； 一履带对机器人本体的作用力( n ) ： g i 一机器人去掉履带后所受的重力) 。 由机器人在平行于船体表面方向上的受力平衡可得 n = g 】 令m 。= 0 ，则 n = f , 1 t + n c o s f t h l - r g i ( 1 0 s i n 5 + h c o s f 1 ) ( 5 2 ) ( 5 3 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要使机器人不倾覆，必须满足： n 。0 ( 5 - 4 ) 由此可以得到抗倾机构提供给机器人的作用力为 fg,10sinfl