發(fā)布時間：2020-05-17 18:13

【摘要】：能源危機和環(huán)境污染問題日益凸顯,促使人類不斷探索新能源,核能作為一種清潔、高效的新能源走入了人們視野。在過去幾十年,世界各地興建了數(shù)以千計的核電站,但從2011年日本福島核事故后,核電安全引起世界各國的廣泛關注。核電水池是電站的核心部分之一,一旦發(fā)生破損,易引發(fā)核事故。以往都是采用人工方式對核電水池進行修復,不僅效率低,而且容易對作業(yè)人員造成傷害。因此,開展以應急狀態(tài)下水下焊接為主,日常巡查為輔,可以適應核電水池環(huán)境,能夠代替人工的水下機器人設計及相關技術研究,具有深遠的現(xiàn)實意義。針對核電水池應急狀態(tài)下的焊接作業(yè)和日常的巡查任務,設計了一款包括控制子系統(tǒng)、機械本體子系統(tǒng)和線纜收放子系統(tǒng)的全方位運動水下機器人系統(tǒng)。該機器人的本體子系統(tǒng)作為核心部分,采用開架式結構,內(nèi)部搭載以三自由度移動機構為主體的焊接裝置和觀測設備等;在本體上矢量布局八個推進器,在其作用下機器人具備水下全方位運動功能,進而實現(xiàn)了多障礙環(huán)境下的水下巡查檢測,并能夠依靠頂層推進器產(chǎn)生的推力實現(xiàn)池底和池壁的附著定位,以便進行更加準確的檢測或焊接作業(yè)。另外,機器人在水下運動時,通過調(diào)節(jié)三自由度移動機構運動,可以減小恢復力、恢復力矩對機體的影響,有助于機體實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)運動;在機器人附著定位時,通過控制三自由度移動機構的運動,可以通過觀測設備與焊槍,完成目標跟蹤和焊接作業(yè)。機器人系統(tǒng)中的尾端線纜用于信號傳輸,以及為機體和作業(yè)裝置供電,能夠滿足水下焊接大電流供電的需要。水下機器人本體的控制器設計和操縱性研究,均是建立在機器人本體動力學模型基礎之上的。為了建立準確的動力學模型,對機器人本體的主要擾動因素進行了深入分析。機體在水下運動時始終處于懸浮狀態(tài),導致機體運動穩(wěn)定性隨之降低,因此,水動力、線纜力成為影響機體控制和穩(wěn)定性的主要擾動因素。為了準確揭示機器人本體運動,尤其是翻轉(zhuǎn)運動時的水動力特性,建立了核電水池環(huán)境下的水動力模型。在模型中,不僅包括廣域的水動力系數(shù),還包含了因壁面阻礙而產(chǎn)生的近壁水動力因素。借助CFD仿真計算,虛擬仿真了機器人本體的直航運動試驗、斜航運動試驗、平面運動機構試驗和懸臂運動試驗,求解了相關的水動力系數(shù),并提出了一種近壁水動力的仿真計算方法,完成了在機器人近壁運動時受到的水動力求解。尾端線纜會對機器人本體的運動和定位產(chǎn)生明顯的擾動作用,因此,有必要對尾端線纜的力學特性進行計算分析。根據(jù)水池環(huán)境的特殊性,利用線纜微元法,分別建立了穩(wěn)態(tài)運動、動態(tài)運動下的線纜三維力學模型。通過數(shù)值仿真計算,分析兩種工況下機器人尾端線纜上各點的力學特性。并根據(jù)絞盤車與線纜連接點受力變化情況,為絞盤車的控制器的設計提供了參考數(shù)據(jù)。之后進行了無纜狀態(tài)下和有纜狀態(tài)下機器人本體的運動仿真計算,對比分析了水下機器人系統(tǒng)中線纜對本體的影響作用。根據(jù)前述設計,研制了水下機器人系統(tǒng)的原理樣機,在室內(nèi)水池內(nèi),開展了機器人運動性能測定試驗,驗證了水下機器人系統(tǒng)設計的各項指標。搭建了測試系統(tǒng),借助循環(huán)水槽,開展了機器人的水動力測試試驗。通過試驗,測算了動力學模型中的水動力系數(shù)和近壁水動力特征參數(shù),并與仿真計算結果對比,證明了CFD仿真計算的可信性。之后搭建了線纜力測試平臺和制備了試驗模型,在循環(huán)水槽內(nèi),開展了尾端線纜力學特性的試驗研究,得到了不同水流流速下,線纜的穩(wěn)態(tài)力學特性、動態(tài)力學特性參數(shù)曲線,驗證了線纜力學模型和數(shù)值計算方法的正確性。
【圖文】：

第 2 章 全方位運動與附著作業(yè)水下機器人系統(tǒng)設計人作業(yè)裝置設計急狀態(tài)下的核電水池焊接修復和日常狀態(tài)的了一套可以完成以上任務的作業(yè)裝置 在這包括焊槍 送絲機構） 攝像頭等，還包括一圖 2-3 所示，其中末端執(zhí)行器與攝像頭組合 上 由于水下焊接技術和焊接設備不是本文

置為了滿足移動載體運動和作業(yè)裝置找尋焊縫的需要常工作提供可能 水下照明裝置的核心部分是 LED 制保護罩，其尺寸約為 65 mm×116 mm，主要目的止核輻射 高溫和酸性環(huán)境對照明裝置產(chǎn)生影響 整kg，，額定功率為 20 W，額定電壓 24 VDC，最大工作作壽命 50000 h主要用于記錄水下視頻信息，尤其在對核電水池池底頻信息將會成為焊接修復的重要診斷依據(jù) 水下攝像S-2ZMN2007 型攝像機，為了保證在水下正常使用，殼，以達到防水和免于核電環(huán)境影響的目的 攝像機ressive Scan CMOS，具有 20 倍光學放大功能，焦距可任意變化上的分析，可以得到水下機器人本體的推進器的選型結構與尺寸 浮力材料配平 照明裝置選型 作業(yè)裝果，并根據(jù)水下機器人的設計指標，建立了水下機器 2-4 所示
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP242

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