【摘要】：船舶長期在海水中航行,其水下部分的壁面會產(chǎn)生不同程度的腐蝕,同時還會有大量海生物附著。這不僅會增加船舶航行阻力,甚至會阻塞船底的設(shè)備注水口,影響船舶的正常運行,必須定期對船舶水下部分的壁面進行檢測清理。由于船舶常年行駛或停泊于海水中,且其壁面具有良好的導磁性,因此,船舶所采用的水下壁面移動機器人的吸附方式以磁力吸附為主。但磁吸附式壁面移動機器人存在吸附與運動相耦合的問題,增大磁吸力導致運動靈活性變差,而提高運動的靈活性又會降低其磁吸力。為解決該問題,研究者們由履帶上鑲嵌永磁體的吸附移動方式發(fā)展到永磁輪的吸附移動方式,直至現(xiàn)階段所研究的懸磁吸附車輪式、電磁吸附步足式、負壓和永磁組合的吸附方式等。本文針對磁吸附式壁面移動機器人吸附與運動難以協(xié)調(diào)的問題,綜合磁輪式壁面移動機器人的靈活運動特性和履帶式壁面移動機器人的強吸附力特性,設(shè)計一種輪履復合磁吸附式壁面移動機器人,由磁輪和履帶上的吸附單元同時提供磁吸力,以車輪行走為主,履帶行走為輔的移動方式。主要研究內(nèi)容包括:輪履復合機構(gòu)、壁面機器人本體及其水下密封的設(shè)計;危險工況的力學建模計算;磁場力仿真分析;動力學建模仿真分析。在了解該壁面機器人的運行環(huán)境后,分析選擇其吸附方式、移動方式和驅(qū)動方式。設(shè)計一種輪履復合機構(gòu),對磁吸附式壁面移動機器人的吸附與運動性能進行協(xié)調(diào)。之后對其進行水下靜密封和動密封設(shè)計。壁面機器人在水上和水下兩種環(huán)境中吸附于任意傾斜角度的船壁上,建立可能發(fā)生的法向脫離、翻轉(zhuǎn)和沿壁面下滑三種臨界狀況的靜態(tài)力學模型,并建立其做加速運動時可能發(fā)生的翻轉(zhuǎn)和驅(qū)動輪打滑的動態(tài)力學模型,通過數(shù)值計算分析,提供該壁面機器人的安全吸附力依據(jù)。對磁環(huán)與壁面和吸附單元與壁面的三維靜態(tài)磁場特性進行仿真計算,分析該壁面機器人的磁吸力隨吸附間隙距離變化的關(guān)系,提供其吸附間隙距離的依據(jù)。建立壁面機器人動力學模型,采用不同吸附間隙距離下機器人與壁面之間的磁吸力,對其進行動力學仿真計算,分析磁吸力對其運動的影響及從動輪的附著力,驗證理論分析的合理性。提供該壁面機器人的運動特性隨吸附間隙變化而變化的相關(guān)數(shù)據(jù),選取合適的吸附間隙,從而達到對該輪履復合磁吸附式壁面移動機器人的吸附與運動進行協(xié)調(diào)的目的。
【學位授予單位】：河南工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

上世紀 60 年代面世以來，之后壁面機器人的研究在全球范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展段已有多種類型的壁面機器人投入使用[31]。 國外磁吸附式壁面移動機器人發(fā)展研究現(xiàn)狀國外多數(shù)國家在壁面機器人技術(shù)研究方面起步較早。其中日本是從事壁面機器早的國家，獲得了大量技術(shù)積累。1966 年世界上第一臺壁面機器人樣機由日本大阪府立大學的西亮講師研發(fā)成 所示。該壁面機器人利用涵道風扇抽走吸盤內(nèi)的空氣達到負壓吸附的目的，通轉(zhuǎn)實現(xiàn)機器人在壁面上自由移動的功能[32]。1975 年西亮教授在第一代壁面機礎(chǔ)上研制了輪式負壓壁面機器人，如圖 2 所示，該機器人采用單吸盤的吸附方式的移動方式，吸盤位于機器人中心部位提供吸附力；其重量輕、體積小，具速的移動能力，但是吸盤只適用于光滑壁面，在凹凸不平壁面吸盤難以完全致吸附力減弱，發(fā)生脫離壁面的風險[33,34]。

上世紀 60 年代面世以來，之后壁面機器人的研究在全球范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展段已有多種類型的壁面機器人投入使用[31]。 國外磁吸附式壁面移動機器人發(fā)展研究現(xiàn)狀國外多數(shù)國家在壁面機器人技術(shù)研究方面起步較早。其中日本是從事壁面機器早的國家，獲得了大量技術(shù)積累。1966 年世界上第一臺壁面機器人樣機由日本大阪府立大學的西亮講師研發(fā)成 所示。該壁面機器人利用涵道風扇抽走吸盤內(nèi)的空氣達到負壓吸附的目的，通轉(zhuǎn)實現(xiàn)機器人在壁面上自由移動的功能[32]。1975 年西亮教授在第一代壁面機礎(chǔ)上研制了輪式負壓壁面機器人，如圖 2 所示，該機器人采用單吸盤的吸附方式的移動方式，吸盤位于機器人中心部位提供吸附力；其重量輕、體積小，具速的移動能力，但是吸盤只適用于光滑壁面，在凹凸不平壁面吸盤難以完全致吸附力減弱，發(fā)生脫離壁面的風險[33,34]。

圖 3 足式負壓壁面機器人 圖 4 推力正壓壁面機器人了日本，很多國家在壁面機器人技術(shù)研究方面都取得了不俗的研究成果，修造方面應(yīng)用比較廣泛的磁吸附式壁面機器人。 5 是加拿大的 Magnetic Crawler 所研制的水下履帶式磁吸附壁面機器人[37]側(cè)履帶上鑲嵌永磁體，是磁吸附式壁面機器人吸附力最強的一種吸附方式30m 的水下環(huán)境安全吸附于壁面進行移動。國 Flow 公司與 CHUKAR 公司合作研發(fā)的名為 Hydro-Crawler 的壁面機器履帶式吸附和移動的方式，具有較強的負載能力，采用液壓馬達提供足夠，該機器人移動速度可達到 0.1m/s[38]，如圖 6 所示。

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本文編號：2798977