水下船体清扫机器人设计与实现-带答辩PPT【全套含6张CAD图纸+PDF图】
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本 科 毕 业 设 计（论文）学 院 专 业 学生姓名 班级学号 指导教师 水下船体清扫机器人设计与实现Design and realization of underwater cleaning robot I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： 学生姓名：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1.课程性质（请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2.课题类型（请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；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： 2.223.06 搜集资料 3.073.11 结构分析比较，英文翻译，综述 3.123.13 开题答辩 3.144.10 三维造型及结构优化 4.114.20 二维图纸绘制 4.215.20 样机制作 5.215.29 设计说明书 6.3日之前 必须提交论文 6.4 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，2008，1：537-5402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（系）领导： （签章） 年 月 日58摘 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AbstractIn recent years, with the rapid development of marine economy, China has also increased the degree of attention to the development of marine industry, marine industry gradually developed However, because of the long time sailing in the ocean, resulting in a variety of small water plants attached to the hull surface, such as barnacles and seaweed, shellfish and so on. Its adsorption on the surface of the hull will lead to increase in the resistance of the ship in the process of running, increase the fuel consumption of the ship when traveling, but also pollute the environment. So the barnacles, algae and other related attachments hull cleaning has become a pressing matter of the moment. The underwater robot can achieve short-term cleaning, low cost, and can be cleaned when the ship is sailing, and it has a wide range of application prospects in the navigation industry. But at present, the existing underwater robot has low efficiency and the cleaning quality unable to meet market demand, the barnacles strong attachments cannot be effectively sweep.In view of the above problems, this paper based on negative pressure adsorption and strong magnetic crawler module coordination technology design a surrounded by crawler type mobile platform. This platform by the adsorption of the four band with and movement with the program to ensure the deck of the omnidirectional mobile robot in. The modular design concept is adopted in the cleaning mechanism, and the cleaning module is designed according to the characteristic of the attachment. At last, through the friendly man-machine interface and task scheduling system, the cleaning quality and efficiency parameters are real-time feedback to the supervision system, which has good operability, and can ensure the quality of cleaning. The main contents of this paper are:First, the analysis of the current underwater cleaning hull robot system composition and domestic and foreign research present situation, according to the requirements of the work, put forward corresponding design architecture, key structure of the implementation scheme and technical parameters, design the overall principles of mechanical structure model.Then the mechanical structure design of the underwater cleaning robot is analyzed, the adsorption capacity and the adsorption effect are calculated, and the selection of the profile and the motor is analyzed. Using virtual prototype technology, establish sweeping hull robot virtual prototype model, while for joint structure, finite element analysis and checking the strength and provides a strong theoretical basis for making the physical prototype. Drawing working drawings, machining parts, and assembly prototype.Secondly, according to the function of the required design of electrical control system, draw the circuit schematic diagram, set up the control system and drive system, finishing system and object diagram, improve the control systems, and to detect the stability of the control system.Finally, test the moving mechanism moving characteristics, of mobile and cleaning in judging the stability of the moving characteristics and cleaning characteristics, further guarantees the cleaning hull robot work safety and reliability, water cleaning and laid a solid foundation for further study of hull robot.Keywords: cleaning robot; modularization; omnidirectional movement; virtual prototype目 录第一章绪论11.1 课题研究背景11.2 国内外研究现状31.3 课题研究的目的与意义41.4 课题研究的主要内容与关键技术51.5 本章小结6第二章水下清扫船体机器人总体方案设计72.1 水下清扫船体机器人设计要求72.2 水下清扫船体机器人的机械系统方案92.2.1 机械系统的设计原则92.2.2 设计方法92.2.3 移动平台方案设计112.2.4 清扫机构方案设计142.3 水下清扫船体机器人的电控系统方案152.3.1 驱动系统的设计思路152.3.2 传感系统的设计思路162.4 本章小结16第三章水下清扫船体机器人移动平台设计183.1 水下清扫船体机器人移动平台分析183.1.2水下清扫船体机器人关键位姿受力分析183.2 水下清扫船体机器人移动平台设计203.2.1 履带吸附结构233.2.2 负载轮结构233.2.3 链轮传动结构233.2.4 履带张紧结构233.3 水下清扫船体机器人移动平台整体搭建243.4 本章小结26第四章水下清扫机器人的清扫系统设计274.1 水下清扫船体机器人清扫系统设计274.1.1定力矩清扫刀具模块设计.274.1.2外围柔性毛刷清扫设计及整体清扫盘布局.294.2 本章小结30第五章水下清扫机器人电控系统设计315.1 驱动电路分析及设计315.2 控制器的选用325.3本章小结33第六章水下清扫船体机器人样机制作与实验346.1 关键零件的材料选用346.1.1 整体支撑框架铝合金型材的选用356.1.2 履带固定板ABS板356.1.3 PLA3D打印机材料356.1.4 磁轮轴选材碳素杆366.2 移动机构的简化及试制366.3 清扫机构的简化及试制416.3.1简化清扫机构及关键件分析416.3.2 关键件加工仿真及制作416.4 整体装配与实验验证446.5 本章小结.45结 论46致 谢47参考文献48第一章 绪论1.1 课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1-2。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3-4，如图1-1所示为常见船体附作物。 (a)船体附着状况 (b)附着物图1-1 船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1-2所示为船坞清扫附作物。图1-2 船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SCAMP水下清洗机，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1.7m,清洗效率为1653.6m2/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，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。1.2 国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BK型、瑞典的曲雷尔和澳大利亚的Anstralian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7。典型的有英国的SCAMP水下清洗机，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1.7m,清洗效率为1653.6m2/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8-9，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。1.3 课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。1.4 课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。1.5 本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。第二章 水下清扫船体机器人总体方案设计2.1 水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2-1所示。表2-1 理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9-16组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。1.运动精准，反应较快。2.机构耐冲击，具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1.能够在浑浊的海水中感知清扫质量。2.各项清扫参数的实时监控。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，提出了机器人移动方面的全方位无死角移动，在清扫船体方面为提高其清扫质量的同时不伤害到船体的理念。为此，产生了一种新型的水下清扫船体机器人方案，也为水下清扫船体机器人提出了更高的要求。其需要具备的要求如表2-2所示。表2-2新型水下清扫船体机器人的设计要求特点移动特性1.具有全方位移动能力；2.突破传统的差速转向方式，具有多角度移动能力，运动更加灵活对船体的影响更小；3.吸附能力优于传统的两条履带吸附方式。清扫特性1.清扫机构运用模块化设计理念，可根据需要进行自由并联；2.清扫盘采用分级清扫，对于不同类型的附作物分别清扫；3.清扫机构对于藻类等以去除附着物还是藤壶、贝类等难去除附着物都能进行无损清扫，清扫效率及质量更好；4.清扫机构动力输出装置输出动力更稳定，具有良好的调节机制。2.2 水下清扫船体机器人的机械系统方案2.2.1 机械系统的设计原则水下清扫船体机器人作为设计对象，其整体机械系统包括：移动平台系统以及清扫系统。展开来看，其移动平台机构由外围履带模块、履带张紧机构、履带承载机构等组成。移动平台通过内部的型材首尾交错连接组成支撑清扫机构的整体架构，并通过便捷的模块化接口，可以自由连接，拓展其清扫模块。另一方面其机械系统包含：支撑整体的框架，即内部支撑架结构；传递力的动力件；传动运动的同步带、齿轮组等；执行清扫的清扫盘；保证机体行进的履带结构。根据对水下清扫船体机器人的分析发现其设计的主要有一下几条原则：1）稳定性。这是产品能够存活的关键所在，是其他功能的基本保障。也是设计最初就要考虑的主要核心。这要求在设计时从机构的基本原理，实施方案，加工策略等方面，完全符合工况和额定寿命角度去设定设计参数。2）实用性。采用可靠，经济的方案进行设计，这不仅降低了成本，也是批量化生产以及未来产业化的重点。3）通用性。包含在功能性方面，这对水下清扫船体机器人提出了更高的要求。功能是产品赢得市场的重要保障，也是彰显了产品优越性的一个重要指标。在已有的水下清扫船体机器人的基础上，改进其不足的同时，在功能性的方面，开创性的提出了通用性的概念。在清扫船体的同时，能过通过模块的自由组合与拼接，拓展其应用领域，也是产品的一大特色。2.2.2设计方法基于上述的三条设计方略，针对于此机器人首先对整体进行模块划分，将整体分为若干子单元，采用模块化设计方式进行设计；另一方面，尽可能采用标准件及各种型材来设计整体机构。1）模块化设计模块化设计方法由来已久，其思路是将产品或总系统作为研究对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定子单元体，考虑到各个子单元体之间的结构相互配合，同时需要功能相互配合。通过各模块的自由组合可以得到不同功能，不同种类的产品，以此满足不同工作中的使用要求。另一方面，各模块之间的互换性好，也方便产品的修理和维护，是一种非常成熟的设计理念。在许多行业中都普遍存在（例如自动化设备、计算机组装。程序编写乃至于库函数本身都是模块化的结晶）。模块化理念在简化产品的设计，降低成本还能缩短产品的研发周期，在机器人产业体系中，随着工业化普及程度的不断提高，模块化的理念也渗透到各行各业。其工作性能及特点集中体现在以下几点：1、各个模块之间运动学及动力学上具有独立性；2、各个模块具有独立的功能，各自完成独自的工作任务，确保工作的稳定性；3、各个模块之间采用自由化通用程度高的接口，机械接口在工作使用中方便快捷，互换性好，方便维修和保养。按照上述原则，可以将水下清扫船体机器人从功能上分为三块结构，移动平台机构和清扫盘机构，以及整体框架（整体承载结构）。移动平台，确保机体可以在船体表面顺滑运动；清扫盘可以针对于不同的附着物进行分类清扫。此两个模块通过承载模块提供的接口进行组合。模块间相互组合，工作相互配合，设计中分开进行设计和装配，通过模块的调整和组合，可以得到适用于不同船体的机器人产品，并且每个模块可以根据需要更换。2）根据标准件及成品部件设计零件及部件此产品的设计采用标准化流程，通过方案的讨论及确定，进行模块化分类后，针对于不同的模块化结构进行分析。基于此种设计方法，有效的降低了研发成本，缩短了开发周期，减少了设计工作量，更提高了产品的性能与稳定性。本设计采用了两种途径展开标准化设计：一、根据已有的设计对其进行改良或重用，简化设计；二、总结此设计的特点，根据此特点提炼其核心结构，在已有的标准化零件库中查找和整理归纳，形成自己的内部标准。如图2-1所示，是已经成型的标准化体系。表2-3为成品零部件选型系列。图2-1 标准化体系表2-3 成品零部件选型系列功能模块可供选择的成品零部件履带驱动直流有刷电机与行星齿轮减速器清扫盘传动标准同步齿形带清扫盘标准环形尼龙毛刷履带连接件标准12A侧链板整机机架标准铝合金方管2.2.3 移动平台方案设计移动机构是机器人构成的基础，是机器人工作的基本保障。在水下清扫船体机器人上，其更是机器人的重点所在，移动机构的吸附能力和吸附效果直接关系到了机器人能否胜任清扫工作，另一方面其运动的灵敏性和灵活性影响了清扫质量。从机器人移动机构的特点入手，其主要有轮式、足式、履带式以及各种复合式。目前已有的水下清扫船体机器人采用的移动方式主要有：强磁吸附履带式、负压推进式、永磁吸盘吸附式、集群式等。强磁吸附履带式现有的结构是在两条平行履带上分别安置有多块强力永磁铁，通过强力永磁铁对船体的吸附保持机器人于船体表面行进。但其转向仍采用传统的差速转向原理，针对曲率较小，需要多次转向的清扫角落无法进入。负压推进式只要用水下推进装置，通过负压将机器人机体压于船体表面会发生滑移等问题，导致其无法平稳的吸附于船体，效果不佳。永磁吸盘式承载能力不足，且针对于满是藤壶、贝类等附作物密集的船体表面无法做到有效吸附。集群式，是通过机器人机体上的多个子单元及小型吸附单元吸附于船体，间接的将机器人主体吸附于船体，此种方式开发成本高，且维护不便，在小型船体上无法普及，不被广泛采用。水下清扫船体机器人移动平台的设计目标是其能够在水下吸附于船体表面（各种曲率表面的船体），能够在船航行时在有水流冲击的情况下仍然可以在船体表面自如的行进。他的行进可以由操作人员控制另外也可以通过设置其工作模式，采用自主智能工作模式。其移动平台具有良好的模块化接口和负载能力，可以在各种环境中执行任务。在制定设计目标时常根据船体表面材料，粗糙度，清扫效率等要素提出机器人的设计参数。根据水下清扫船体的需要，采用强磁吸附技术，为了使更多的磁铁吸附于船体表面，保障其工作稳定性，采用履带四面包围结构，如图2-2所示。图2-2 水下清扫船体机器人履带包裹方案从增强吸附能力角度考虑而提出的四条履带包围模式，此种模式的难点在于采用方形磁铁在机器人吸附于船体表面沿着X方向前进时，受前后两条1、3履带上方形磁铁吸附作用的影响，其X方向的运动受阻。同样，当机器人在船体表面沿着Y方向行进时，受左右两条2,4履带阻力的影响，其无法再Y方向上行进。由此，一种新型的履带吸附结构被提出，如图2-3所示。图2-3 新型水下清扫船体机器人履带吸附方案采用磁轮吸附设计方案，其优点较为明显。磁轮吸附方式在机器人沿着X方向进行时，1,3履带上的磁轮通过自身的转动避免了1,3履带对于2,4履带行进的阻碍作用，而2,4履带上的磁轮在行进时，安装于其上的磁轮没有转动趋势，不会进行Y方向的滑移，其Y方向的运动被1,3履带上的磁轮所限制，及利用了磁轮限制了其自身轴向方向的运动。通过这一原理设计了此方案。此种结构可以在平面上进行全方位移动，抛弃了传统的履带差速转向方式，从根本上解决了水下清扫船体机器人在船面上的无死角移动。其不足在于磁轮与船体的接触为线接触，此种方式吸附效果不佳，需要额外补偿，为此对上一磁轮方案进行了改进。通过两角度，一方面，增加吸附磁轮的数量，由磁轮的吸附特性得知，其吸附力的大小随着与被吸附物的距离增大而极具减小。即当磁轮接触船体表面时吸附力最强。而现有的水下清扫机器人其吸附磁铁外围也包裹了增大其摩擦系数的橡胶材料，吸附效果也非最佳状态。单方面增加磁轮的数量可以增强其机体的吸附力。另一方面，吸取现有水下清扫机器人的优点，在各履带模块上另外安置有方形磁铁吸附单元。为了避免其对船体的强力吸附影响机体在船体表面的全方位移动，在磁轮吸附于船体表面的基础上。方形磁铁距离船体表面1-2mm。同时对磁轮转动的灵活度提出了更高的要求。通过这种方式完全实现了移动机构的全方位移动。为水下机器人的清扫工作提供了基本保障。2.2.4 清扫机构方案设计清扫机构是水下清扫机器人的核心，根据目前已有的清扫结构来看，主要有：刚性清扫方式和柔性清扫方式。刚性清扫方式如图2-4所示。图2-4 现有刚性清扫方式现有的刚性清扫方式，从图2-4可以看出，其通过外围刚性刀片2的快速旋转来撞击藤壶等强力附着物将之去除，但针对船体自身突起的焊缝等难以进行有效规避。这损伤刀具的同时给船身带来了不可避免的伤害，对于用户而言是难以接受的。如图2-5展示的柔性清扫方式，此种方式只能对藻类等易去除的附着物进行有效的清扫，无法对藤壶、贝类等附着物进行有效清扫。综合已有的两种清扫方式的优弊，本文设计的水下清扫船体机器人的清扫机构，采用模块化设计理念，在局部的设计中将此理念融入设计细节。图2-5 现有柔性清扫方式此清扫机构本身又根据其功能分为三部分。外环柔性尼龙毛刷，内辐条定力矩清扫刷刀具，传动连接轴。如图2-6所示。图2-6 模块化清扫刷盘其外环柔性毛刷在遇到藻类等易去除的附着物时，可以轻松的将藻类等刷掉。随着清扫盘的逐渐推进，藤壶表面经过毛刷的简单清扫后，由定力矩从藤壶侧面，将藤壶冲击撞击离开。从三方面避免了和船体的刚性接触，一方面定力矩刀具在毛刷接触船体的基础上，距离船体2-3mm，有一定的间隙余量；另一方面，刀具采用定力矩设计方式，在冲击到船体的时候，设定的冲击力较大时，刀具回弹从一定程度上避免了全刚性冲击；最后，刀具材料方面，其强度介于藤壶、贝类等强力附着物与船体之间。通过以上三种方法，多方面配合完善其清扫质量。其内辐条结构根据流体力学分析设计为曲线型，在清扫船体的同时将清理残渣通过自身负压冲出清扫区域，也提供了一部分船体附着力，是一种综合性设计方案。2.3 水下清扫船体机器人的电控系统方案2.3.1 驱动系统的设计思路水下清扫船体机器人动力分别有：四个减速直流有刷电机提供驱动履带前行动力，另外一到两个大扭矩直流无刷电机提供驱动清扫转盘的转动力。运用直流电机驱动器进行分别控制。为了确保控制精度，避免外界信号干扰，采用光电耦合，将控制信号与驱动电路分开设计。2.3.2 传感系统的设计思路针对水下清扫船体机器人特点及应用领域，从安全、工作效率、工作稳定性等角度去考虑，采用如2-7所示工作方式。图2-7 功能及传感系统方案由于机器人工作与水下，其信号易受干扰，目前以后的水下机器人多采用带线工作方式。此水下清扫船体机器人通过连接于机身的电缆供电，为保证其传感系统的稳定性，进行光耦隔离并对电路进行保护处理。电机驱动中采用熔断器，防止负载过大对机体的影响，为保证机器人工作安全，在进行密封改装后在密封电路保护中设计有湿度传感器，在检测到泄漏时具有及时断电保护功能。机器人在水下清扫时，为防止其发生侧滑在机身中央设计有惯性模块，具有三轴加速度、三轴陀螺仪功能，进行实时检测预防其发生意外；另一方面，其具有最后一道保险即GPS巡回功能，在脱离船体后可以自动定位并巡回，确保了工作的稳定性。2.4本章小结本章总结了目前已有的水下清扫船体机器人设计方案，分析其优点与不足之处，并针对其不足进行改进提出了四包围履带移动机构以及模块化清扫机构的概念，在设计中加入了模块化理念与标准化理念。最后根据其实现功能，初步确定其电控思路。为下一步机械结构与电控系统的设计制作打下基础。第三章 水下清扫船体机器人移动平台设计水下清扫船体机器人的移动平台设计直接关系到了整体的清扫质量和清扫效率以及清扫能力。水下清扫船体机器人的移动平台是个复杂的，要求很高的全方位移动机构，实现功能的同时，其牢靠的质量和稳定的工作性能是最基本的保障，因此在设计时始终将稳定性及其安全性等要素放在考虑的首要位置。3.1 水下清扫船体机器人移动平台分析3.1.1 水下清扫船体机器人总体要求在水下，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，需要建立力学模型，通过分析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。对于移动平台的设计需要先分析其受力状况，通过查阅资料设定其整体大致参数，如表3-1所示。表3-1 水下清扫船体参数设定部件质量（kg）数量（个）总重（kg）履带模块2.8411.2内部支架2.312.3清扫机构0.943.6总计17.1通过针对现有清扫船体机器人的分析，根据选用的材料进行预估得知完成整体的制作，其质量大约为17.1KG。3.1.2水下清扫船体机器人关键位姿受力分析图3-1为清扫机特殊状态静态受力图。其中，H为清扫机器人重心高度；h为重心与履带中心线的垂直距离；A为清扫机器人的倾覆支点；L为A点与重心线的垂直距离；为清扫机器人倾斜角度；G为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为该侧与船壁吸附的磁体产生的总磁力；f为履带与壁面的最大静摩擦力；N为船壁对清扫机器人的支持力；M为步进电机的保持转矩；r为驱动轮半径；Fa为水流对清扫机器人的负压力。 图3-1 清扫机特殊状态静态受力图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情况，所以应该通过对此种情况下的受力分析来决定单个永磁铁块的磁吸力，以及电机应该提供的转矩。下面将会对此种情况进行受力分析，确定磁吸力及步进电机的转矩。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)Fa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。f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F的不等式，即可以求出F的临界值：(3-2)上面的滑落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。由于整体的重量为17.1kg，经过分析其在攀爬角度为90的垂直面最为困难，由于同时整体磁铁的吸附力在完全接触时，其吸引力为自身质量的600倍，关键在于摩擦系数的保证。3.2 水下清扫船体机器人移动平台设计移动平台作为设计对象，其机械结构主要包括：最基本的履带行进及张紧机构，方形强磁连接和环形磁轮安装结构；产生爬升力的动力源，包括四个减速直流电机；承载清扫刷盘并有多种模块化接口的整体支撑结构；下水的保障及密封结构等。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，如图3-2所示。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。(a)履带吸附侧向视图（b）履带侧向吸附视图图3-2 清刷机器人的行走机构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3.2.1 履带吸附结构此结构是移动机构能否吸附在船体表面的最核心结构，通过方案的选定、参数设定及计算校核，最终选用强力磁铁吸附。并通过多点吸附提高其整体附着于船体的能力。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。其结构如图3-3所示。图3-3 清刷机器人的行走机构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3.2.2 负载轮结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3-4a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3-4为负载轮及负载板结构。 （a）负载板示意图（b）负载板装配图图3-4 负载轮及负载板3.2.3 链轮传动结构图3-5 主动链轮1. 12A链轮左 2.连接轴 3.12A链轮右 4.螺栓 整体采用12A链结构。履带模块作为承载强力磁铁的单元体，其通过12A链条的侧链板相连接，驱动使用12A链轮组合体，两侧分别各分布一个12A链轮，两个链轮之间通过轴连接，并使用数个螺钉紧固，如图3-5所示。前部依靠此结构进行驱动链条，带动整体机身的运动，后部通过此结构进行导向，防止履带吸附机构的破坏。前部的结构通过螺栓禁锢于履带侧板，后部的此结构在履带侧板的滑槽中，利用张紧机构对履带条进行张紧保证其使用寿命。3.2.4履带张紧结构采用丝杆螺母机构，通过螺纹自锁，将张紧撑板向远离承载板的方向推进。后部导向轮轴穿过张紧撑板的两个孔，并通过螺栓将两个紧定压板压在轴上，其内部依靠自润滑轴套进行润滑，减小轴端磨损。张紧机构及其安装如图3-6所示。张紧撑板通过丝杆将张紧力通过螺母传到承压板上，承压板通过连接杆将所受压力分解施加于履带连接板。履带连接板穿过履带的负载板作为支撑，对整个履带模块起到支撑作用。(a)张紧机构示意图(b)张紧装配图图3-6 张紧机构及其安装1.履带链接板 2.连接杆 3.承压板 4.螺母 5.丝杆 6.张紧撑板3.3水下清扫船体机器人移动平台整体搭建水下清扫船体机器人移动平台需要满足其吸附能力足以支撑其自身质量为基础，在其上完善其功能，确保其稳定性。上一节分析了履带吸附模块及整体框架的搭建，此节针对机器人整体展开阐述其与清扫盘模块连接关系，及整体布局。3.3.1机器人机架设计及模块化接口机架采用铝合金方管结构组合而成，此种方式成本低廉，强度可靠，在工业中应用广泛。如图3-7所示。清扫盘轴通过上下两个轴承座固定，轴线方向使用轴肩方式进行轴向定位。此种通过上下两个同步带轮传动，中间的同步带轮将动力传入，并通过上部的同步带轮将动力传递到另一个清扫盘。经过分析，其中部和上部受力较大，要求清扫刷盘垂直度好，另一方面通过上下两个轴承座的调整可以保证其同轴度及垂直度。图3-7 清扫盘模块化接口3.3.2 移动机构于整体布局内部机架使用铝合金型材作为整体架构，具有两方面应用。一方面，侧边通过4条纵向的铝方及横向的上下两个铝方对履带模块进行加固。提高履带模块强度和刚度，此结构可以分解履带吸附由于重力分力的影响导致履带侧斜，乃至整体运动不稳定。 （a）机架侧向视图 （b）机架俯视图图3-8机架机构及清扫盘布局如图3-8所示，四个清扫盘模块分别通过两个轴承座安置于四个独立交错开的四个区域。四个角点上分别设置有四个直流减速电机来驱动移动模块。在其中心铝合金方管交错排列意义在于将清扫盘分开设计，达到空间最大利用率；另一方面，外围方管交错布置也将履带模块交错开来，可以不改变内部大小空间的情况下，增长各个履带的长度，如图3-9所示。此排布形式可通过增大履带长度的方式大幅度提高其负载能力，可针对于要求高负载的情况下采用。其受力通过侧向履带将其侧向力分解。图3-9履带交错排布履带模块采用彼此交错设计方式，可以根据需求，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，较大的提高了其移动机构的通用性。3.4 本章小结本章主要从移动机构的运行机理及整体框架设计角度阐述了整体的结构。针对清扫盘的模块化接口进行优化，为满足其装配精度要求，采用双轴承座调节结构；论述了整体框架的搭建思路，并根据功能拓展的需要，将履带模块布局优化为交错式。展示了移动平台良好的通用性，工作的稳定性以及结构的可靠性。第四章 水下清扫机器人的清扫系统设计清扫系统是此机器人的灵魂所在，直接关系到机器人的功能效果，根据水下清扫机器人机械系统方案的选取。此章节主要根据模块化清扫刷盘设计理念，采用外围柔性尼龙毛刷与内辐条结合技术，对附着物进行分级清扫，达到最终良好的清扫质量要求。4.1 水下清扫船体机器人清扫系统设计根据实际需求，船体的附着物主要有藻类等易去除的附作物和藤壶、贝类等难以去除的附着物。从机器人机械系统的分析发现，针对与船体这样附着物类型较为复杂，附着物特点范围广的工作系统，需要就行功能模块化设计。4.1.1 定力矩清扫刀具模块设计如图4-1所示，刀具4从上部安装进内部辐条2中，通过弹簧3抵住上顶板1将刀具固定于伸展状态。定力矩结构采用紧定螺钉与弹簧将滚珠5抵住。以此来设定其工作清扫力。图4-1 定力矩清扫原理1 上端盖，2 内部辐条体，3 上弹簧，4 刀具，5 滚珠通过原理性设计，选用45钢作为其刀具，在其前段清扫要求高的地方，采用高频淬火工艺，增强其表面硬度，提高其使用寿命，完成其模块设计，如图4-2所示。针对其清扫刀具运用solidworks的插件Simulation进行静力学分析。分析结果如图4-3所示。在其上部及侧面通过内部辐条体固定，将清扫力传递与外部支撑。分析具体工作情况设定上面及侧面为支撑，于其刀具的顶部设定载荷为120N的受力，受力方向垂直于其面。并对其进行网格划分，采用标准网格划分方式，其网格为三角网格，边长为0.5mm进行划分，如图4-3所示。运行结果如图4-4，4-5所示。图4-2 定力矩模块三维模型图4-3 刀具网格划分其整体受力最大部位，及危险部分为刀具结构变形处，即分割线处。通过分析发现，此结构受到侧向倾角为30的冲击，经过分解在其收回的瞬间受到冲击力。通过分析发现，在瞬间其应变程度为9.513e-009,满足正常使用需要，其所受应力为3.295e+003N/m2，同样在设计预计内。经校核此结构完全符合工作要求，为缓解刀具在瞬间冲击力下的应力及应变。通过增大其倾斜角度及提高其刚度入手。图4-4 刀具应变图图4-5 刀具应力图4.1.2 外围柔性毛刷清扫设计及整体清扫盘布局毛刷分布于清扫盘外围，如图4-6所示，中心转轴将内部辐条及定力矩清扫模块固定，并通过其与外围毛刷环连为一体。此种方式不仅提高了整体毛刷盘的刚度，更将整体进行了模块划分，方便毛刷以及定力矩模块的更换，节约了成本，更方便维护和保养。图4-6中外环采用10mm柔性尼龙刷，根据其强度要求，可以对藻类等进行高效的清除，其设计与外围可以作为藤壶、贝类等难以去除的附着物的预清扫，在定力矩刀具的清扫时，避免了打滑、滑移及清扫力矩过大导致的电机过载等问题。也是针对清扫盘机构进行细分模块化设计的一大优点。图4-6 毛刷布局1 定力矩清扫模块；2毛刷铺层经过整体设计，完成了三维模型的绘制，如图4-7、4-8所示。图4-7 清扫刷盘三维模型图4-8 清扫刷盘及电机三维模型4.2 小结本章主要从清扫机构的运行机理上分别阐述了其定力矩模块设计思路及设计结构，并对其进行有限元分析，并对其结构进行了改进；另外论述了柔性毛刷设计理念，并将模块化思维渗透入此结构。最后展示了整体的组装及模型设计。其中最主要的是定力矩结构的构思及设计与改进。第五章 水下清扫机器人电控系统设计5.1 驱动电路分析及设计采用驱动模块是结合L298N电机驱动芯片使用起来灵活和使用MOS管作H桥驱动电流大的优点开发出来。直流电机转动时将在电源上产生干扰信号(RF信号、突变电压，用示波器可以进行观察)，如果不对控制信号进行全隔离，干扰信号回馈到单片机控制端，很可能导致单片机跑飞死机。使用L298N驱动稍大点儿功率的电机很容易烧掉驱动模块。本驱动模块每路有独立的3A过流保护，可以使用铅蓄电池或锂电池供电，驱动24V60W或12V30W以下的电机完全没问题，驱动更大功率的电机如果驱动不了，模块会进行过流保护，不会应为负载电流过大而烧板子。如表5-1所示。表5-1电机1与电机2驱动逻辑表IN1IN2ENAOUT1、OUT2输出XX0无输出，OUT1、OUT2悬空001刹车，VOUT1=VOUT2=VGND101正转，VOUT1-VOUT2=电源电压011反转，VOUT1-VOUT2=电源电压111刹车，VOUT1=VOUT2=电源电压（无输入时的默认状态）经过电路搭建完成其电路设计，如图5-1所示。图5-1 驱动电路设计5.2 控制器的选用清扫船体机器人清扫工作时整套系统主要功能为：四个直流减速电机配合驱动保证机器人吸附于船体表面的基础上不发生滑移；清扫刷盘在钢管电机的带动下进行高速转动；履带行进模块诱导轮内侧安装的光电码盘进行实时测速；密封区安装有湿度传感器防止泄漏。水下机器人整体电控结构主要包括以下五大模块：1.单片机控制模块 2.电源管理模块 3. 电机驱动模块 4.GPS模块 5.湿度传感器 6.惯性模块 通过单片机处理每步工序，实现四个履带驱动电机协调配合控制，检测惯性模块及湿度传感器，控制清扫刷盘的高速转动进而实现安全工作，全面清扫的目的。具体工作如图5-2所示。图5-2 工作流程图根据其工作要求选用Ardunio UNO单片机，其电源模块及电机驱动如图5-3所示。通过绘制其原理图，并验证其原理正确性后，生成PCB图，如图5-4所示。图5-3 控制电路原理图图5-4 控制电路PCB图5.3小结 本章主要从整体驱动和控制两个角度来阐述电控系统设计，经过对其功能分析以及上一章节总结的数个模块从功能的实现，电控系统的简化及样机电路制作方面展示了取得的进展。其中最重要的是电机驱动保护电路的实现。第六章 水下清扫船体机器人样机制作与实验综合上述机械系统与电控系统的设计方案，由于现有资源的限制需要对模型进行简化，通过3D打印机以及CNC雕刻机等设备来完成样机的制作，这对结构的精简及巧妙程度有了更高的要求。本章根据之前的结构设计进行简化，并进行加工与样机的试制。最后，实验验证其移动特性与清扫质量。6.1 关键零件的材料选用6.1.1 整体支撑框架铝合金型材的选用选用2020型工业铝合金方材，此材料具有强度高，质量轻等优点是作为样机制作必不可少的材料。如图所示，其通用性好，可以根据使用需求来进行拼接。以此作为整体支架是重要的选择。图6-1 2020型铝合金型材6.1.2 履带固定板ABS板ABS塑胶原料树脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母缩写）是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料结构。图6-2 ABS板ABS树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将PS，SAN，BS的各种性能有机地统一起来，兼具韧、硬、刚相均衡的优良力学性能。ABS工程塑料具有优良的综合性能，有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能、耐磨性、抗化学药品性、染色性，成型加工和机械加工较好。履带固定板采用此种材料，其加工性好易于加工，并通过铝合金方管加固完全满足使用需要。6.1.3 PLA3D打印机材料图6-3 PLA 3D打印机耗材聚乳酸（PLA）是一种新型的生物基及可生物降解材料，聚乳酸的热稳定性好，加工温度170230，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工。其用于3D打印机，打印的零件具有一定的强度和韧性，且打印质量要优越于ABS，打印变形程度低，被广泛运用。履带节结构复杂应采用铸造形式加工，由于条件限制在此以3D打印成型，由于其为受力构件，通过调整打印角度和打印质量来提高其强度。6.1.4 磁轮轴选材碳素杆碳素杆又称为碳素纤维杆，是采用高科技碳维素材（由聚丙烯腈纤维或者将沥青抽成丝，经高温碳化后制成的极细的碳化纤维）制造而成。具有导电性和非常好的抗张强度。图6-4 碳素纤维杆经过实验测试碳素杆材料其强度大，韧性好，相比于ABS材料具有更好的刚度，以此材料代替了磁轮轴，可以防止磁轮在运动过程中卡死导致运行迟缓。6.2 移动机构的简化及试制根据前面章节对其移动机构的设计进行简化，运用已有的设备进行样机试制。6.2.1 简化移动机构及关键件分析1）履带吸附机构的简化采用方形强力磁铁及圆形强力磁铁如图6-5所示。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定位。图6-5 强力磁铁图6-6 履带吸附单元根据校核发现，采用12A链条传动，并对12A链条进行改装使其适应于水下清扫机器人的履带吸附结构。根据计算，采用12A链条的侧链板，将链条内部的滚动体等改为如图6-6所示的模块。其中央使用M6的沉头螺栓将方形磁铁固定，在履带节与履带节的连接上采用双磁轮轴固定方式，履带节通过M5x20的螺栓与链条侧链板相连接。履带节彼此相距12mm，此数据即为12A链条的节距，此种改造正适用于12A链轮。分析其制作工艺发现，履带节模块使用加工中心加工效率低，成本高，开模加工不适合于样机研发，在此使用3D打印技术完成样机的制作及测试。2）负载板简化及制作负载板是履带移动结构的基本组成单元之一。在样机的制作中采用M8双头螺栓作为连接轴，便于定位与固定。其螺母锁住一端，并通过轴套将两负重板分别隔离于两侧作为支撑，为方便加工和装配，负载轮采用3D打印方式利用M3螺栓将其固定与负重板外侧，负重板采用CNC雕刻机加工而成的ABS板。如图6-7所示，此为履带负载板的组成结构，并根据其进行改装，做出实物模型如图6-8所示。图6-7 履带负载板1.固定螺杆 2.轴套 3.负载板 4.负载轮 5.负载轮固定螺栓 6.固定螺母 7.内部轴套图6-8 履带负重板3）张紧机构的简化张紧机构作为履带行进的基础保障，在制作中较为困难，为此对其进行改进。使用楔形块将两侧的顶板撑开，采用螺纹紧固的方式，通过调节螺栓的长度来控制张紧的长度，为保证其整体刚度，通过外部加固板将对称分布于两边的顶板撑起。选用已加工的亚克力板来完成制作，亚克力板材质相对较软且熔点较低，加工此类材料多使用激光雕刻机，在加工精度要求高的情况下需要使用CNC加工，使用刃口锋利的双刃铣刀，其加工速度快，加工质量好。 (a) 加工图纸 (b)加工中的激光雕刻机(c)制作完成的张紧机构图6-9 张紧机构加工及装配效果6.2.2 关键件加工仿真及制作1）履带固定侧板制作履带固定侧板作为移动模块的核心，其连接驱动链轮，诱导轮以及作为负载板的支撑结构。经过分析其工艺并对其机构进行改进，为提高其刚度在其内侧安装铝合金外框，采用此种方式确保在移动工作时不发生侧斜，保证其工作稳定性。运用solidworks设计其模型，并校核强度后导出工程图进行加工准备工作。对工程图进行简单修改，设置其比例为1:1并删除非加工线段，将其全选定义为整体并保存完成图纸修改，修改后如图6-10所示。导入ArtCAM软件，首先设置其内孔进行加工，采用二维轮廓线加工方式，根据分析，采用5mmABS，其硬度较低，加工要求采用双刃铣刀，最小孔径为3mm遂采用直径为2mm的铣刀。小型CNC设备加工主轴转速为8000r/min，根据测试发现，在每次下切步距为0.5mm，进给速度为300mm/min时加工质量最好且效率最高。首先设置其内部的孔和槽作为工序1，采用顺铣方式加工，进行内侧刀具补偿。最后选取外围轮廓线，默认之前设置，采用外侧刀具补偿加工方式，定义为工序2。最后进行仿真加工并导出加工G代码。仿真结果如图6-12所示。图6-10 修改后的加工图纸图6-11 设置加工图6-12 仿真加工6.2.3 框架加工及组装整体框架采用2020铝合金方管，通过方管的交错排布支撑。铝合金型材接口丰富，多使用角铝等连接件。其外围上部采用320mm型材作为支撑，通过顶部直径6mm钻出通孔，并使用8mm沉头结构，利用M6的螺栓完成上下的组装。其内部多采用角铝进行加固，在上下层连接采用25mm短小的铝合金方管，并对上下两孔进行扩孔并攻出M6的螺纹。主体采用M6的螺栓进行连接，并通过角接件进行加固，防止其转动。最后将模块化接口的轴承座固定于上下两层的铝材上，并预紧为清扫盘的组装做好准备。其安装如图6-13所示。图6-13 搭建的整体框架6.3 清扫机构的简化及试制根据前面章节对其移动机构的设计进行简化，运用已有的设备进行样机试制。6.3.1 简化清扫机构及关键件分析通过之前的清扫机构分析，将清扫刷盘分为两部分，一部分是外围的尼龙毛刷环，另一部分是内部的定力矩清扫块。对其结构进行简化。传动轴采用M8x120的螺杆，内部辐条的上盖板通过螺母将其锁紧，下部盖板通过M2x25的螺栓穿过辐条固定块与上盖板相连接。并对定力矩清扫模块进行简化，将弹簧上下两端固定于刀具与上端盖之间。通过微调整其上端盖与辐条体的具体来控制其清扫力度。此种方式避免了采用紧定螺钉压紧滚珠的方式，由于样机进行了整体的缩小，滚珠在此不适用于此。另一方面此种结构复杂的加工方式采用3D打印技术，使用的材料为PLA，此种加工方式难以生成标准的小球形凹坑，同时采用滚珠方式，对加工精度以及表面粗糙度有较高要求，从这些方面综合考虑后对此结构进行了简化。6.3.2 关键件加工仿真及制作（1）刀具的加工刀具采用3D打印快速成型技术。由于其需要滑动，在工作时受力较复杂，相对于其他零件有更高的要求。对其加工参数设计更高。对其外壁厚度设置为1mm，填充度为100%，打印速度设定为30，材料流量补偿为100，运用软件对零件进行分层，其效
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