船体表面水下清刷机器人研究

摘要

由于海洋生物和海水的腐蚀性，船舶在水中长时间行驶后，船体表面会附着大量贝类、藤壶和锈皮等污损物。而现有的防锈涂层并不能有效解决此问题，因此面向大型船舶的船体表面清洗技术得到了迅速发展。针对现有壁面清洗装置存在的自动化程度低、清洗效率低、作业环境受限、缺乏清刷检测手段等问题。本文设计一种双模式的水下船体壁面清洗机器人，针对机器人水下壁面吸附和六自由度运动控制等关键问题进行了研究。
　　首先，提出了论文研究的背景和意义，通过对国内外船体表面清刷装置的研究现状进行分析，总结出水下清刷装置的技术组成，对壁面移动机器人和水下作业机器人进行调查研究。针对现有的船体清刷装置在实际工作方面的不足，设计了一个新型的水下清刷机器人。
　　其次，根据技术指标和使用环境确定机器人的吸附方案和移动方案，机器人结合使用反推力吸附和负压吸附两种吸附方式，并且具有水下游动和壁面爬行两种移动模式。对机器人的机械结构、材料选择、浮心重心计算和关键器件选型进行了研究。之后建立了水下清刷机器人在船体表面的空间位姿模型，依据该模型从防止装置吸附失效的角度列出了稳定吸附的力学平衡方程，确定机器人稳定吸附需要的最小吸力。
　　然后，研究了机器人的清刷原理和吸附原理，杯形刷既能清刷船体，同时在船体壁面上旋转时会产生平行于旋转轴的吸力，使机器人吸附于船体壁面。根据清刷和吸附的工作需求，对清洗刷进行设计。由于目前对杯形刷旋转过程所产生的吸附力的研究较少，所以本文针对设计的杯形刷进行吸附力实验，建立杯形刷吸力和马达输入与壁面距离的线性化关系，为建立机器人近壁面运动的动力学模型提供依据。
　　最后，建立水下清刷机器人在水中游动的动力学模型，并针对机器人需要贴近船体壁面的特点，结合上述吸力实验结果建立近壁面运动的动力学模型。根据机器人工作过程设计控制方案，使用反演设计法设计滑模控制器，对机器人的六自由度运动进行闭环控制，通过系统仿真，验证控制了系统的有效性和优越性，还验证了杯形刷产生的吸力可以辅助机器人的贴壁运动。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题研究的背景、目的和意义

1.2船体表面清刷机器人的国内外发展现状

1.3船体表面清刷机器人的研究现状分析

1.4本文的主要研究内容

第2章 水下清刷机器人总体方案设计

2.1引言

2.2水下清刷机器人的方案设计

2.3水下清刷机器人的结构设计

2.4清刷机器人水下安全吸附条件的研究

2.5本章小结

第3章 清洗装置的水下吸附机理实验研究

3.1引言

3.2水下清刷的工作原理和工作过程

3.3吸附作用下的清洗刷选型设计

3.4清刷装置的吸附机理实验

3.5本章小结

第4章 水下清刷机器人的动力学建模

4.1引言

4.2机器人水下六自由度运动的模型研究

4.3机器人水下六自由度运动的动力学建模

4.4机器人近壁面运动的数学模型研究

4.5机器人水下运动的仿真分析

4.6本章小结

第5章 水下清刷机器人运动控制与仿真验证

5.1引言

5.2机器人运动规划

5.3水下清刷机器人的运动控制

5.4控制系统仿真验证

5.5本章小结

结论

参考文献

致谢