【摘要】：導(dǎo)管架平臺(tái)是一種大型的海上鋼結(jié)構(gòu)框架,是現(xiàn)代海洋石油開(kāi)采的重要裝備。而在平臺(tái)工作期間,導(dǎo)管架平臺(tái)樁基會(huì)由于大量海洋生物長(zhǎng)時(shí)間的附著造成嚴(yán)重腐蝕,進(jìn)而危害平臺(tái)安全。目前針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)附著生物的清洗主要有人工清洗和機(jī)器清洗兩種方式。鑒于機(jī)器清洗具有安全高效等優(yōu)點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一套用于導(dǎo)管架平臺(tái)清洗的水下機(jī)器人—機(jī)械臂系統(tǒng)(Underwater Vehicle Manipulator System,簡(jiǎn)稱(chēng) UVMS),創(chuàng)新性地采用雙抱臂系統(tǒng)代替常見(jiàn)的吸附式定位系統(tǒng),從而提高系統(tǒng)的可靠性。本文針對(duì)該UVMS系統(tǒng),在考慮機(jī)械臂水動(dòng)力特性前提下,分別建立了作業(yè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型,在對(duì)作業(yè)機(jī)械臂的高壓噴嘴的工作姿態(tài)優(yōu)化基礎(chǔ)上,建立了基于蟻群算法的機(jī)械臂的工作路徑優(yōu)化方法,從而提高水下清污機(jī)器人的工作效率。首先,根據(jù)工作對(duì)象的尺寸設(shè)計(jì)了一個(gè)合適的作業(yè)臂,對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題,采用Denavit-Hanenber法建模,推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解和逆解,再使用蒙特卡洛法確定機(jī)械臂的工作區(qū)間,并在Matlab工具箱中驗(yàn)證機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)解的正確性,完成指定的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃仿真。然后,針對(duì)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,基于拉格朗日法和雅可比矩陣?yán)碚?在Matlab/SimScape中建立了機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)仿真模型,通過(guò)添加質(zhì)量、慣性矩等參數(shù)信息,完成預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng),得到各關(guān)節(jié)所需力矩的大小,為后續(xù)驅(qū)動(dòng)液壓油缸的選型提供參考依據(jù)。此外,為了得到機(jī)械臂末端工作水槍清洗的最佳姿態(tài),介紹了高壓水射流的相關(guān)理論,重點(diǎn)探討水射流的射流參數(shù)和清洗機(jī)理。在理論的基礎(chǔ)上利用Fluent軟件對(duì)高壓水射流流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,得到靶面打擊應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布,確定了水射流的最佳靶距和入射角度。最后,針對(duì)本課題水下機(jī)器人的具體作業(yè)需求,提出了一種以能量和時(shí)間最優(yōu)不同優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)蟻群算法最為優(yōu)化方法的路徑優(yōu)化算法,提高機(jī)械臂的工作效率。計(jì)算結(jié)果表明,相比傳統(tǒng)掃描式的工作路徑,上述兩種優(yōu)化算法均能大幅度提升水下機(jī)械臂的工作效率,降低能量損耗,為以后實(shí)際工程應(yīng)用中機(jī)械臂的工作路徑設(shè)定提供合理的依據(jù)。
【圖文】：

圖 1-5 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所二自由度機(jī)械臂圖 1-6 華中科技大學(xué)三自由度機(jī)械臂人研究現(xiàn)狀下鋼結(jié)構(gòu)的清洗，國(guó)內(nèi)早在 20 世紀(jì) 80 年代的技術(shù)水平，最初的工作方式主要是潛水7）。這種清洗方式的清洗效率低，連續(xù)作PDF編

圖 1-6 華中科技大學(xué)三自由度機(jī)械臂人研究現(xiàn)狀下鋼結(jié)構(gòu)的清洗，，國(guó)內(nèi)早在 20 世紀(jì) 80 年代就時(shí)的技術(shù)水平，最初的工作方式主要是潛水員-7）。這種清洗方式的清洗效率低，連續(xù)作業(yè)水射流的理論和技術(shù)的發(fā)展，高壓水射流成為還是依靠人工水下作業(yè)[14]。高壓水射流的作時(shí)潛水員需要手持噴槍清洗目標(biāo)，巨大的水威脅。再者對(duì)于深海環(huán)境下的結(jié)構(gòu)物，水下大挑戰(zhàn)，人工作業(yè)更加難以實(shí)現(xiàn)。PDF
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TE95

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