畢業(yè)論文——水下船體清掃機(jī)器人用磁輪吸附行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、<p>　　江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文</p><p>　　水下船體清掃機(jī)器人用磁輪吸附行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　Design of magnetic wheel adsorption walking mechanism for underwater hull cleaning robot</p><p><b>　　江蘇科技大學(xué)</

2、b></p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)</p><p>　　學(xué) 院：機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)制 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： 姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 職 稱： </p><

3、p>　　20 年 12 月 10 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　水下清掃機(jī)器人是為了能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)化的進(jìn)行船體表面的清掃工作，這樣既可以節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，降低了水下工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以提高工作的效率，節(jié)省了額外的能源消耗。</p><p>　　本文主要是介紹了水下清掃機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。

4、論文首先是對(duì)研究水下清掃機(jī)器人的意義做了闡述，然后是對(duì)國(guó)內(nèi)外目前行走機(jī)構(gòu)采用的幾種情況做了介紹，接下來(lái)就是對(duì)水下船體清掃機(jī)器人用磁輪吸附行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。行走機(jī)構(gòu)主要包含了五個(gè)部分，分別為吸附機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、承載機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。水下清掃機(jī)器人最重要的部分就是吸附機(jī)構(gòu)。我們采用永磁吸附，保證足夠的磁吸附力。接著就是對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的水下受力分析。計(jì)算出關(guān)于磁吸附力和電機(jī)扭矩的關(guān)系式。最后對(duì)兩個(gè)重要部位采用SolidWorks進(jìn)行有限元

5、分析，校核是否滿足強(qiáng)度和剛度要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：水下清掃機(jī)器人；船體表面；行走機(jī)構(gòu)；磁吸附力；有限元分析</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Underwater cleaning robot is to be able to achieve the full automation of t

6、he cleaning work of the hull surface, this will not only save a lot of labor, reduce the labor intensity of underwater work, but also can improve the efficiency of work, saving the additional energy consumption. </p&g

7、t;<p>　　This paper mainly introduces the walking mechanism of the underwater cleaning robot. First of all, the thesis on the study of underwater cleaning robot are described, and then at home and abroad on the wal

8、king mechanism adopts several situations is introduced, next is the design of the magnetic wheel adsorption walking mechanism for the underwater hull cleaning robot. The walking mechanism mainly consists of five parts, w

9、hich are the adsorption mechanism, the transmission mechanism, the bearing </p><p>　　Keywords: underwater cleaning robot；hull surface；walking mechanism；magnetic adsorption force; finite element analysis</

10、p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的背景、研究目的及研究意義</p><p><b>　　課題的背景</b></p><p>　　伴隨著海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)也加大了對(duì)海洋的重視程度，船舶行業(yè)逐漸興旺發(fā)達(dá)。但由于長(zhǎng)時(shí)間在海洋中航行，導(dǎo)致各種小型水生物植物附著于船體

11、表面，例如藤壺，海藻等。藤壺吸附在船體表面會(huì)導(dǎo)致輪船在行駛過(guò)程中阻力增大，增加輪船在行駛時(shí)的油耗[1]，同時(shí)也污染了環(huán)境，如下圖1.1所示。因此我們必須想辦法對(duì)藤壺、海藻等小型船體附著物進(jìn)行相關(guān)的清掃處理。</p><p>　　圖1.1 船舶表面附著情況</p><p><b>　　海洋附著物</b></p><p>　　隨著對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)和利用

12、，特別是第二次世界大戰(zhàn)期間由于戰(zhàn)艦防污的需要，人們對(duì)生物污著的研究逐步地開(kāi)展起來(lái)。美國(guó)1952年出版的《海洋污著生物及其防除》一書(shū)，奠定了海洋污著生物研究的基礎(chǔ)其后,各國(guó)相繼進(jìn)行了大量的污著生物調(diào)查和研究。1972年蘇聯(lián)出版的《蘇聯(lián)各海的污著生物》和1984年中國(guó)出版的《海洋污損生物及其防除》（上冊(cè)）等著作，反映了60年代以來(lái)的新成果。</p><p>　　海洋附著生物是附著在船底和其他海中設(shè)施表面上的海洋生物，

13、也稱為海洋附著生物和海洋污損生物。這類(lèi)生物一般是有害的，且附著在人工設(shè)施的表面上，不同于海洋巖礁上的固著生物以及養(yǎng)殖的貝、藻類(lèi)和鉆孔生物。至1947年，世界已經(jīng)記錄約有2000種海洋污著生物。目前，估計(jì)已發(fā)現(xiàn)有4000～5000種，在中國(guó)沿岸已經(jīng)記錄有 650種左右[2]。這些種類(lèi)分別隸屬于海洋菌類(lèi)、藻類(lèi)以及海洋動(dòng)物的各個(gè)主要門(mén)類(lèi)。</p><p>　　海洋生物的附著過(guò)程是及其復(fù)雜的，但是我們通過(guò)研究它的附著過(guò)程

14、以及原因，我們可以很好的采取措施，針對(duì)其根本，對(duì)附著物進(jìn)行處理。大體來(lái)講，海洋附著的過(guò)程分為四個(gè)階段[2]，如下圖1.2所示：</p><p>　　圖1.2 海洋附著物附著過(guò)程</p><p>　　海洋附著物的附著過(guò)程雖然分為四個(gè)階段，但是合適的生存條件是必不可少的。貝殼類(lèi)海洋生物一般附著是最牢固的，因?yàn)楫?dāng)貝殼類(lèi)生物第一代死亡之后，第二代便可以繼續(xù)在它的貝殼上繁衍，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，船體的

15、貝殼類(lèi)附著物機(jī)會(huì)越來(lái)越多，從而導(dǎo)致船體重量加重，影響船舶的航行速度。</p><p>　　海洋生物附著物附著的原因</p><p>　　海洋船體被附著一直都是一個(gè)老問(wèn)題，盡管現(xiàn)在水下的船體部分都是使用高科技的防污漆，但是長(zhǎng)時(shí)間的降速航行、漂航以及拋錨船舶船體還是難以避免海洋附著物的附著。而大致的原因有：</p><p>　　1、水下船體的防污漆大多是自拋光漆。船舶在

16、航行時(shí)，水流不斷的沖刷，速度越快，相對(duì)的水流越快，則船體表面就越光滑，附著物就越不容易扶著，但是當(dāng)船速下降之后，附著物就會(huì)很容易附著，而對(duì)于漂航、拋錨船舶的船體，這種問(wèn)題就更加的嚴(yán)重。</p><p>　　2、船舶進(jìn)廠進(jìn)行維修的時(shí)候，船舶表面噴砂不夠光潔，油漆表面局部粗糙不夠均勻，再者，由于水下線船體部分防污漆受損，部分船體生銹從而更加的容易使海洋附著物附著。</p><p>　　3、防污

17、漆的質(zhì)量問(wèn)題，有效期較短或者防污漆失效。</p><p>　　4、船舶大部分時(shí)間在大海中航行，很少有時(shí)間在淡水區(qū)航行。</p><p>　　海洋生物附著物會(huì)增加阻力從而影響航船的速度、增加油耗。近年來(lái)，海洋船體附著物一直影響著船主，每年為清掃船體的此類(lèi)附著物大約需要花費(fèi)數(shù)十億英鎊。當(dāng)前船運(yùn)市場(chǎng)的形式及其嚴(yán)峻，并且由于國(guó)際燃油市場(chǎng)的油價(jià)高居不下，國(guó)際船運(yùn)公司出于降本增效、降低能耗的考慮，采取

18、了極端降速的措施，因此加劇了海洋生物附著物的附著以及對(duì)船舶的不利影響。</p><p>　　同時(shí)，海洋生物附著物也會(huì)對(duì)船舶的主機(jī)產(chǎn)生影響，降低了主機(jī)的使用壽命，增加運(yùn)營(yíng)成本。研究表明，當(dāng)船體有了海洋生物附著物之后，船速會(huì)降低10%，油耗會(huì)上漲40%，全球船業(yè)每年因此而耗費(fèi)的油費(fèi)大約有100億美元。</p><p><b>　　課題的研究目的</b></p>

19、<p>　　為了降低甚至消除海洋附著物對(duì)于海洋船體的影響，可以設(shè)計(jì)相關(guān)的機(jī)構(gòu)在船體表面行走，對(duì)船體表面的附著物進(jìn)行清掃，但是如果采用人工進(jìn)行清掃則會(huì)顯得麻煩，而且相當(dāng)?shù)牟环奖?，所以課題研究的目的就是采用自動(dòng)的機(jī)器人對(duì)船體表面能夠隨時(shí)進(jìn)行清掃，降低甚至消除船體附著物對(duì)于船舶的損害及影響。</p><p><b>　　課題的研究意義</b></p><p>

20、　　很多港口都有提供專(zhuān)門(mén)的水下清掃服務(wù)，當(dāng)船舶在拋錨停港的時(shí)候，利用這種時(shí)機(jī)對(duì)船體表面進(jìn)行清掃，從而減小船舶運(yùn)行阻力，提高運(yùn)行速度，降低能耗，提高燃油的經(jīng)濟(jì)性，并且這一措施取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　目前為了清掃船體表面分為化學(xué)方法和物理方法。</p><p>　　化學(xué)方法一般為通過(guò)研制一些特殊的材料或者物質(zhì)來(lái)驅(qū)趕藤壺，不過(guò)由于材料的磨損和溶解導(dǎo)致海水被污染，同時(shí)有可能也會(huì)

21、對(duì)船舶表面有一定的影響，并且當(dāng)材料溶解完全時(shí)，又不可能及時(shí)的補(bǔ)充這些化學(xué)材料，那么藤壺等水生物將又會(huì)吸附在船體表面。</p><p>　　物理方法則為通過(guò)一些清掃機(jī)構(gòu)在船體表面進(jìn)行船體表面的清掃，以達(dá)到船體表面的清掃作用。而通過(guò)清掃機(jī)構(gòu)清掃有兩種，一種為人工方式，通過(guò)手持清掃機(jī)構(gòu)在船體表面進(jìn)行清掃，另一種則是通過(guò)自動(dòng)清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃，人工進(jìn)行船體表面清掃效率不高，又不能及時(shí)的進(jìn)行清掃，而且成本比較高。自動(dòng)清掃機(jī)構(gòu)

22、則可以提高工作效率，并且清掃的成本會(huì)非常低。</p><p>　　本設(shè)計(jì)就是根據(jù)這一工程應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)一個(gè)水下船體清掃機(jī)器人磁輪吸附行走機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　課題相關(guān)技術(shù)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　課題研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀</p><p>　　從國(guó)內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)來(lái)看，目前用于水下清掃用的機(jī)器人還不是很多。像類(lèi)似

23、于這種壁面清掃或者是檢測(cè)用的機(jī)器人大多是爬壁機(jī)器人，而這種爬壁機(jī)器人是機(jī)器人中的新品種，用于在垂直壁面上工作，由于這種工作超過(guò)了人類(lèi)極限，因此又稱為極限作業(yè)機(jī)器人。從相關(guān)文獻(xiàn)查看可以得知，日本[3-8]在這方面還是比較突出的，美國(guó)[9、10]、英國(guó)[11-13]、法國(guó)[14]、意大利[15-17]、西班牙[18、19]、澳大利亞[20]也不斷的深入研究。而國(guó)內(nèi)相對(duì)落后，目前只有北京航空航天大學(xué)[21]、哈爾冰工業(yè)大學(xué)[22]、上海大學(xué)[

24、23-25]、上海交通大學(xué)[26-28]等高校在研發(fā)。</p><p>　　爬壁機(jī)器人的研究重點(diǎn)自然是在爬壁，如何使機(jī)器人成功的吸附在壁面及在壁面穩(wěn)定的行走，又如何自由的避開(kāi)障礙物等等問(wèn)題都是研究的重點(diǎn)。從目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)中查看，總的來(lái)說(shuō)，爬壁機(jī)器人的吸附方式大概有真空吸附、磁吸附和氣流負(fù)壓吸附等幾類(lèi)吸附方式。但是這幾種吸附方式都是各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于真空吸附而言，它不會(huì)受吸附壁面的材料所限，不管是什么樣的壁面材

25、料，真空吸附方式的爬壁機(jī)器人都是可以吸附的，但是真空吸附的缺點(diǎn)又是顯而易見(jiàn)的，那就是，當(dāng)壁面凹凸不平的時(shí)候，真空吸附的吸力就會(huì)受到影響，從而它的承載能力就會(huì)下降；磁吸附它可以分為兩種方式，一種是永磁吸附，另一種是電磁吸附。對(duì)于磁吸附而言，他對(duì)于壁面的材料是很有約束的，必須是鐵磁性材料才可以吸附，這相對(duì)于真空吸附而言約束是很大的，但是它也有自己的優(yōu)點(diǎn)，那就是它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附，并且對(duì)于凹凸不平的壁面它的適應(yīng)能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于真

26、空吸附的；氣流負(fù)壓吸附的原理則是根據(jù)靠螺旋槳產(chǎn)生的氣流負(fù)壓力的壁面法向分量將機(jī)器人壓在壁面上，這種方式的吸附的最大優(yōu)勢(shì)就在于它的吸附大小可以控制，但是它的運(yùn)動(dòng)精度以及吸附的穩(wěn)定性是有限的。</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)</p><p>　　就國(guó)內(nèi)外的情況看來(lái)，目前采用磁吸附方式的爬壁機(jī)器人大約有四種，分別是多足步行式、吸盤(pán)式、履帶式、群集型。而這四種方式則是各有千秋

27、。</p><p><b>　　多足步行式</b></p><p>　　多足步行式爬壁機(jī)器人是由日本研發(fā)的具有內(nèi)力補(bǔ)償磁力吸附機(jī)構(gòu)的機(jī)器人，它具有六個(gè)磁力吸附機(jī)構(gòu)，它們可以靠自身產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力，同時(shí)即便產(chǎn)生很大的吸力它也可以很容易的吸附和脫離鋼制的壁面。這種爬壁機(jī)器人的重量大約是60kg，結(jié)構(gòu)大致約為700*700*300（mm）,最大移動(dòng)速度可達(dá)100mm/s。如下

28、圖1.3所示[29]:</p><p>　　圖1.3 多足步行式</p><p><b>　　吸盤(pán)式</b></p><p>　　這種方式的機(jī)器人可以通過(guò)永磁式吸盤(pán)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)在油罐和船體表面等磁導(dǎo)體上面行走。這種機(jī)器人的高度大約是0.6m，重量達(dá)25kg，承載能力大約可達(dá)10kg，最大移動(dòng)速度是0.1m/s。如下圖1.4所示[30]:<

29、/p><p><b>　　圖1.4 吸盤(pán)式</b></p><p><b>　　履帶式</b></p><p>　　履帶式爬壁機(jī)器人已經(jīng)有應(yīng)用，清華大學(xué)所使用的油罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人就是使用的履帶式，這個(gè)機(jī)器人的兩側(cè)履帶都裝有36塊永磁鐵，并且同時(shí)保證每時(shí)每刻有12塊吸盤(pán)與壁面可靠吸附。該機(jī)器人的承載能力可達(dá)到20kg以上，最大移

30、動(dòng)的速度可達(dá)8m/min。如下圖1.5所示[31]。</p><p><b>　　圖1.5 履帶式</b></p><p>　　這些方式的爬壁機(jī)器人對(duì)于研究船體清掃機(jī)器人的行走都是有重大的意義的，它為我們研究機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)是具有指導(dǎo)性作用的。</p><p><b>　　群集型</b></p><p&

31、gt;　　該系統(tǒng)主要是由兩個(gè)（或多個(gè)）機(jī)器人組成，它的最大的特點(diǎn)就是有效負(fù)載大，移動(dòng)速度快。如下圖1.6所示[3]：</p><p><b>　　圖1.6 群集型</b></p><p>　　1.2.3 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人清掃機(jī)構(gòu)</p><p>　　從目前而言，國(guó)內(nèi)外主要的清掃有兩種，一種是塢內(nèi)清刷，另一種是水下清刷，這兩種清刷技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也

32、存在著缺點(diǎn)。</p><p><b>　　塢內(nèi)清刷技術(shù)</b></p><p>　　塢內(nèi)清刷技術(shù)主要就是在船塢里進(jìn)行船體的噴砂以及高壓水清洗。</p><p>　　1、噴砂清理技術(shù)：噴砂清理技術(shù)是以壓縮空氣為動(dòng)力，然后將磨料以一定的速度噴向被處理的船體表面，用這種方法出去氧化皮、鐵銹以及海生物污染等。但是絕大多數(shù)的噴砂處理都是需要工人處理的，因

33、此噴砂的灰塵、噪音等都會(huì)具有一定的危險(xiǎn)性，但是隨著技術(shù)的改進(jìn)，這些問(wèn)題一定也會(huì)得到解決的。如下圖1.7所示：</p><p>　　圖1.7 噴砂清理技術(shù)</p><p>　　2、高壓水清洗技術(shù)：高壓水清洗技術(shù)是一種既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的船體表面清理手段，它在海洋工程方面已經(jīng)被廣泛的使用了。它可以清理掉表面的灰塵以及一些污垢，同時(shí)又不用擔(dān)心會(huì)把那些涂膜沖壞，但是它的缺點(diǎn)也是很明顯的，那就是當(dāng)船體表面

34、的附著物為海蠣等貝類(lèi)的時(shí)候，它是不容易清理掉的。如下圖1.8所示：</p><p>　　圖1.8 高壓水清洗技術(shù)</p><p>　　存在的問(wèn)題：不管是噴砂技術(shù)還是高壓水清理技術(shù)，都需要船舶進(jìn)入船塢內(nèi)才可以進(jìn)行，因此這就會(huì)增加了船舶的停航損失，同時(shí)，這也會(huì)于我國(guó)的船塢嚴(yán)重不足相矛盾，因此趕緊研制出與我國(guó)情況相符的水下清刷技術(shù)迫在眉睫。</p><p><b&g

35、t;　　(2)水下清刷技術(shù)</b></p><p>　　就目前而言，潛水員攜帶水下清掃裝置完成船體表面清理的居多，但是國(guó)外在這項(xiàng)技術(shù)上面已經(jīng)是相當(dāng)?shù)某墒炝?。目前的水下清刷裝置的動(dòng)力源一般為液壓或者氣動(dòng)，潛水員會(huì)拿著清刷裝置利用轉(zhuǎn)刷產(chǎn)生負(fù)壓使裝置緊貼船體表面，然后潛水員再推著裝置往前行進(jìn)，從而完成清刷工作。水下清刷裝置大致分為單刷、雙刷和三刷三種，這三種裝置各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。其中單刷質(zhì)量小、操作靈活，不受

36、船體表面形狀的影響，但是它的工作效率比較低，而雙刷和三刷的工作效率就會(huì)比較高。但是在真正的工作的時(shí)候，三種刷都會(huì)混合使用，從而達(dá)到最高的效率。</p><p>　　國(guó)外已經(jīng)有了這些清掃裝置，如圖1.9分別是UMC公司的Mini Pamper Vehicle、Subsea Industries公司的M311、Armada Systems公司的TS-T15 HB以及Sea and Land Technologies公

37、司的Hull Cleaner。</p><p>　　圖1.9 各公司清掃裝置</p><p>　　存在的問(wèn)題：手動(dòng)清刷過(guò)程，潛水員的工作強(qiáng)度非常的大，并且工作環(huán)境也是非常的差，隨著科技的進(jìn)步，一些水下清掃機(jī)器人孕育而出，他們能夠在能見(jiàn)度極低的情況下工作，但是他們的缺點(diǎn)也是很明顯的，那就是它的運(yùn)動(dòng)精度很低，在船體表面曲度非常大的情況下，仍然需要潛水員去糾正才能夠正常的完成作業(yè)。</p&

38、gt;<p><b>　　本文的主要研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本論文的主要目的是對(duì)水下清掃機(jī)器人進(jìn)行磁輪式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。</p><p><b>　　主要完成以下工作：</b></p><p>　?。?）通過(guò)查閱相關(guān)的書(shū)籍，借閱圖書(shū)館等方式，認(rèn)真閱讀相關(guān)的論文，并且了解相關(guān)的專(zhuān)利

39、里，然后收集整理現(xiàn)有的水下船體清掃機(jī)器人及其磁輪吸附行走機(jī)構(gòu)的有關(guān)資料；</p><p>　?。?）討論水線以下的船體清掃機(jī)器人系統(tǒng)的組成，確定其磁輪吸附行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式；</p><p>　?。?）水下船體清掃機(jī)器人磁輪吸附行走機(jī)構(gòu)三維造型及有限元分析，并對(duì)各部件進(jìn)行優(yōu)化；</p><p>　?。?）水下船體清掃機(jī)器人磁輪吸附行走機(jī)構(gòu)二維圖紙繪制。</p&g

40、t;<p>　　第二章 清刷機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的本體設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1 引言</b></p><p>　　清刷機(jī)器人是在水下船體表面進(jìn)行清刷工作，因此其行走機(jī)構(gòu)是吸附在船體表面的，所以如何使清刷機(jī)器人吸附在船體表面并且能夠自由的行走而不受水下各種力以及焊縫等因素對(duì)其的影響是重點(diǎn)研究的。</p><p>　　考慮到

41、船體是有曲面組成，有一定的弧度，所以需要足夠的磁吸力來(lái)使行走機(jī)構(gòu)以及機(jī)器人本身吸附在船體表面，因此我們選擇永磁體作為吸附機(jī)構(gòu)，同時(shí)在履帶的中間安放磁輪，從而保證有足夠的磁吸力使清刷機(jī)器人吸附在船體表面。</p><p>　　在水下，主要考慮機(jī)器人受到的力有重力、浮力、機(jī)器人和船體表面的摩擦力、水動(dòng)力以及電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，因此，我們需要建立力學(xué)模型，通過(guò)分析清刷機(jī)器人在靜止和動(dòng)態(tài)兩種情況下所需要的力及力矩的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從

42、而計(jì)算出單個(gè)永磁體所需的最小磁吸附力和驅(qū)動(dòng)履帶行走的步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)。</p><p>　　考慮到清刷機(jī)器人是在水下船體表面工作的，所以因使其結(jié)構(gòu)盡量的簡(jiǎn)單，因此行走機(jī)構(gòu)的大體結(jié)構(gòu)組成有：吸附機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、承載機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。其三維圖和二維平面圖分別如下圖2.1和2.2所示：</p><p>　　圖2.1 清刷機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)三維圖</p><p>

43、　　1.鏈輪 2.鏈條 3.承載機(jī)構(gòu) 4.張緊機(jī)構(gòu) 5.永磁鐵塊 6.磁輪 7.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)</p><p>　　圖2.2 清刷機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)二維圖</p><p>　　2.2 行走機(jī)構(gòu)的工作原理</p><p>　　清刷機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要是由兩條相同的履帶組成，每條履帶由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，工作時(shí)只兩條履帶同時(shí)工作，通過(guò)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同與不同，

44、這樣便可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線與轉(zhuǎn)彎。行走主要通過(guò)鏈輪傳動(dòng)的形式進(jìn)行，電機(jī)通過(guò)鏈輪帶動(dòng)履帶行走，從而實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的行走。履帶上面裝有永磁體塊和磁輪，用于實(shí)現(xiàn)吸附的功能。清刷機(jī)器人上面的張緊機(jī)構(gòu)用于防止鏈輪與鏈條不緊密接觸。</p><p>　　2.3 行走機(jī)構(gòu)的組成</p><p>　　2.3.1 吸附機(jī)構(gòu)</p><p>　　吸附機(jī)構(gòu)是整個(gè)行走機(jī)構(gòu)的重中之重，因?yàn)槲覀?/p>

45、首先要做的事情就是將吸附機(jī)構(gòu)要吸附在水下船體表面，這樣清刷機(jī)器人才可以完成船體表面的清刷工作。</p><p>　　吸附機(jī)構(gòu)是通過(guò)鏈條上面的永磁鐵塊（如圖2.3所示）和磁輪（如圖2.4所示）的吸附力吸附在船體表面的。每個(gè)永磁鐵塊安裝在每個(gè)鏈節(jié)的中間部位，通過(guò)螺釘將永磁鐵塊與鏈節(jié)相連接。磁輪則安裝在每?jī)蓚€(gè)鏈節(jié)連接的軸的中間。由于考慮到如果使永磁鐵塊與船體表面直接接觸，那么在鐵塊與船體表面脫離和吸附的循環(huán)過(guò)程中會(huì)不斷

46、的發(fā)生碰撞，這樣不僅會(huì)使永磁鐵塊受到損失，同時(shí)，時(shí)間長(zhǎng)久之后也會(huì)使船體表面受損，因此我們讓磁輪與船體表面直接接觸，而永磁鐵塊不與船體表面直接接觸，這樣既可以保證磁吸附力足夠大，也可以減少磁塊與船體表面的直接接觸碰撞的過(guò)程中的產(chǎn)生的損害。每條履帶上面安裝48個(gè)永磁鐵塊，每?jī)蓚€(gè)鏈節(jié)連接的軸的中間安裝兩個(gè)磁輪。永磁鐵塊選擇永磁材料釹鐵硼，因?yàn)樗悄壳按判宰顝?qiáng)的磁性材料，這樣可以保證清刷機(jī)器人能夠有足夠的吸力吸附在船體表面。</p>

47、<p>　　圖2.3 永磁鐵塊 圖2.4 磁輪</p><p>　　2.3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)</p><p>　　相比于吸附機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也是相當(dāng)?shù)闹匾?，因?yàn)橹挥袑?dòng)力傳到清掃機(jī)器人上面，機(jī)器人才能夠行走，才能夠進(jìn)行清掃?？紤]到清掃機(jī)器人是在水下進(jìn)行清掃工作，水下的環(huán)境比較惡劣，以及它的傳動(dòng)性能效率，我們選擇的傳動(dòng)方式是鏈傳動(dòng)。鏈

48、傳動(dòng)主要是由鏈條和主、從動(dòng)鏈輪組成，利用鏈輪輪齒和鏈條鏈節(jié)的嚙合來(lái)完成運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞。</p><p>　　2.3.3 承載機(jī)構(gòu)</p><p>　　承載機(jī)構(gòu)是用來(lái)承載整個(gè)水下清掃機(jī)器人的重量。承載機(jī)構(gòu)不僅是要用來(lái)承載行走機(jī)構(gòu)中的大部分重量，它還要用來(lái)承載清掃機(jī)構(gòu)的重要，因此承載機(jī)構(gòu)是比較重要的，它是整個(gè)清掃機(jī)器人的主體。承載機(jī)構(gòu)上面有一個(gè)負(fù)載輪軸承（如圖2.5所示），它的作用是，在清掃

49、機(jī)器人進(jìn)行清掃的時(shí)候，它在行走過(guò)程中船體表面可能會(huì)有一些障礙物，當(dāng)機(jī)器人走過(guò)它的時(shí)候，履帶會(huì)被障礙物頂起，如果頂起的高度比較高的話可能會(huì)因?yàn)槲Σ粔驅(qū)е虑鍜邫C(jī)器人掉落，因此這個(gè)負(fù)載輪會(huì)給履帶一個(gè)支撐力，這樣不至于讓履帶被障礙物頂起的過(guò)高，可以減小機(jī)器人因?yàn)檫@種原因而掉落的可能性。</p><p><b>　　圖2.5 承載機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　2.3.4

50、張緊機(jī)構(gòu)</p><p>　　張緊機(jī)構(gòu)是用來(lái)張緊從動(dòng)鏈輪和鏈條的，這樣可以防止鏈輪與鏈條沒(méi)有緊密的接觸。通過(guò)控制螺母（如圖2.6所示）的向前向后來(lái)實(shí)現(xiàn)張緊機(jī)構(gòu)的張緊作用。</p><p><b>　　圖2.6 張緊機(jī)構(gòu)</b></p><p><b>　　2.3.5驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)</b></p><p>

51、　　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是給清掃機(jī)器人提供足夠的動(dòng)力使清掃機(jī)器人在水下船體表面行走。行走機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在履帶的左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)鏈輪內(nèi)側(cè)分別分布一個(gè)步進(jìn)式電機(jī)，實(shí)行單獨(dú)控制，步進(jìn)式電機(jī)體積小、功率大，可以在為行走機(jī)構(gòu)提供足夠的轉(zhuǎn)矩的同時(shí)節(jié)省空間。通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)式電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以在不同的工作狀況下提供所需要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，大大提高清掃機(jī)的實(shí)用性。由于左右電機(jī)是單獨(dú)控制，因此可以控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)左右驅(qū)動(dòng)鏈輪的差速轉(zhuǎn)向,如圖2.7所示

52、。</p><p><b>　　圖2.7 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)</b></p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)清掃機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，主要包括吸附機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、承載機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)五個(gè)主要的機(jī)構(gòu)。永磁鐵塊和履帶行走的方式是水下清掃機(jī)器人的主體，可以保證有足夠的吸力

53、使清掃機(jī)器人吸附在船體表面上，并且有一定的越障能力。</p><p>　　第三章 行走機(jī)構(gòu)的受力分析</p><p><b>　　3.1 引言</b></p><p>　　水下清掃機(jī)器人作為水下清掃的載體，必須要擁有足夠的磁吸附力使其吸附在船體表面，以及提供足夠的扭矩驅(qū)動(dòng)鏈輪來(lái)使清掃機(jī)器人在船體表面進(jìn)行行走。因此本章主要對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力，使

54、其滿足一定的條件，讓清掃機(jī)器人能夠正常工作。</p><p>　　3.2 清掃機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的受力分析</p><p>　　清掃機(jī)在實(shí)施水下清掃作業(yè)時(shí)，受到復(fù)雜的環(huán)境荷載、工作荷載及內(nèi)力的作用。在這些荷載的聯(lián)合作用下，必須保證其穩(wěn)定性。因此，有必要在設(shè)計(jì)階段對(duì)其受力進(jìn)行分析，用來(lái)確定其正常工作所需要的牽引力和磁吸附力。清掃機(jī)器人在船體表面工作的時(shí)候會(huì)有兩種狀態(tài)，一種狀態(tài)是清掃機(jī)器人停留在船

55、體表面不工作的時(shí)候，這種情況之下，我們應(yīng)該防止三種情況發(fā)生，分別是清掃機(jī)器人會(huì)發(fā)生滑落、發(fā)生傾覆以及發(fā)生滾動(dòng)；另一種狀態(tài)是清掃機(jī)器人在船體表面行走的時(shí)候，這種情況下我們也應(yīng)該討論清掃機(jī)器人在兩種行走狀態(tài)下的受力狀況，分別是清掃機(jī)器人從上往下行走以及從下往上走。以上兩種情況都是在靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)情況下的特殊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，還有一般運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即沿船舶表面同一直線的行走狀態(tài)。下面我們將逐步對(duì)這幾種狀態(tài)下的各種情況進(jìn)行受力分析。</p>&

56、lt;p>　　3.3 特殊工作狀態(tài)下的受力分析</p><p>　　3.3.1靜態(tài)特殊工作狀態(tài)下的受力分析</p><p>　　清掃機(jī)器人在不行走的時(shí)候，由于船體表面是一個(gè)曲面，故在有限的長(zhǎng)度里取船體表面的一部分，可以將其看成是直線的，所以吸附在船體表面上與水平方向的夾角在0°至90°內(nèi)變化。由于清掃機(jī)整體結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，因此簡(jiǎn)化分析履帶的一側(cè)。在水下的時(shí)候，水下清

57、掃機(jī)器人主要受到的力有永磁鐵塊的磁吸附力、水下清掃機(jī)器人與船體表面的摩擦力、水下清掃機(jī)器人的自身重力和浮力、船體表面對(duì)清掃機(jī)器人的支持力、水流對(duì)清掃機(jī)器人的負(fù)壓力、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等。清掃機(jī)器人在不行走，靜止在船體表面時(shí)的受力狀況如下圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 行走機(jī)構(gòu)靜態(tài)特殊工作狀態(tài)下的受力圖</p><p>　　其中：a.船壁示意圖；H.清掃機(jī)器人重心高度；h.重心

58、與履帶中心線的垂直距離；A.清掃機(jī)器人的傾覆支點(diǎn)；L.A點(diǎn)與重心線的垂直距離；α.清掃機(jī)器人傾斜角度；G.清掃機(jī)器人的總重力（包括抗傾覆機(jī)構(gòu)）的一半與浮力之和；F.該側(cè)與船壁吸附的磁體產(chǎn)生的總磁力；f.履帶與壁面的最大靜摩擦力；N.船壁對(duì)清掃機(jī)器人的支持力；M.步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩；r.驅(qū)動(dòng)輪半徑；Fa.水流對(duì)清掃機(jī)器人的負(fù)壓力。</p><p>　　水下清掃機(jī)器人在船體表面不行走，停留的時(shí)候，主要考慮到它會(huì)發(fā)生滑

59、落、傾覆以及滾動(dòng)的情況，所以應(yīng)該通過(guò)對(duì)這三種情況下的受力分析來(lái)決定單個(gè)永磁鐵塊的磁吸力，以及步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該提供的轉(zhuǎn)矩。下面將會(huì)對(duì)這三種情況分別進(jìn)行受力分析，確定磁吸力及步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。</p><p>　?。╝）防止滑落的受力分析</p><p>　　因?yàn)榇嬖贔和M兩個(gè)變量，所以在分析時(shí)需對(duì)其進(jìn)行控制。分析防滑落時(shí)，令M足夠大的，即步進(jìn)電機(jī)能夠提供足夠大的保持轉(zhuǎn)矩保證驅(qū)動(dòng)輪在受外力矩作用下不

60、發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)簡(jiǎn)化力學(xué)模型，將與船壁接觸的永磁鐵塊的總的磁吸浮力等效為作用在履帶中心的集中作用力F，同時(shí)將履帶與船壁的摩擦力f定義為最大靜摩擦力。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方向的分力以及水負(fù)壓力Fa，則可以通過(guò)該臨界值得出永磁磁鐵所需要的磁吸附力F。</p><p>　　按照平行于船壁表面方向的受力平衡要求，可以得出清掃機(jī)器人在船體表面不發(fā)生滑落的條件

61、是：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　表示的是水的負(fù)壓力，它的表達(dá)式為。其中是船舶所在的水域的密度；是水流的速度。</p><p>　　就是船體表面與清掃機(jī)器人的摩擦系數(shù)與清掃機(jī)器人對(duì)船體表面的正壓力的乘積，它的表達(dá)式為。</p><p>　　根據(jù)上面已有的公式，我們可以求出關(guān)于的不等

62、式，即可以求出的臨界值：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　(b)防止傾覆的受力分析</p><p>　　水下清掃機(jī)器人發(fā)生傾覆失效時(shí)的臨界狀態(tài)為清掃機(jī)大部分脫離船壁。在清掃機(jī)器人在船體表面行走的時(shí)候會(huì)遇到船體表面的焊縫，或者是殘留在船體表面的水藻貝殼等等，當(dāng)經(jīng)過(guò)這些障礙物的時(shí)候，機(jī)器人可能會(huì)以這些障礙物為一個(gè)

63、支點(diǎn)發(fā)生翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，即發(fā)生傾覆的情況?，F(xiàn)在以最下方從動(dòng)輪與船壁的接觸點(diǎn)為支點(diǎn)的狀態(tài)，定義這一支點(diǎn)為A,并對(duì)A取矩，同樣因?yàn)橛袃蓚€(gè)變量和，因此要保證足夠大，使驅(qū)動(dòng)輪在外力矩的作用下不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)圖3.1所示的情況進(jìn)行受力分析，則清掃機(jī)器人不發(fā)生傾覆的條件為：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　根據(jù)上面的不等式我們可以求出關(guān)于的不等式，

64、即的臨界值：</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　(c)防止?jié)L動(dòng)的受力分析</p><p>　　因?yàn)榍鍜邫C(jī)器人是在船體表面工作的，而工作的表面是始終在0°至90°內(nèi)變化的，所以有可能會(huì)發(fā)生清掃機(jī)器人會(huì)沿著船壁向下發(fā)生滾動(dòng)的情況。在分析清掃機(jī)器人在靜態(tài)下滾動(dòng)失效時(shí)，同時(shí)也會(huì)有兩個(gè)變量和，所以應(yīng)該

65、也要排除控制的其他兩種失效情況的影響，即吸附力應(yīng)該足夠大，磁鐵能夠提供足夠大的吸附力以及平行于船壁的摩擦力使清掃機(jī)器人不會(huì)發(fā)生滑落和傾覆的現(xiàn)象。履帶發(fā)生滾動(dòng)時(shí)是以驅(qū)動(dòng)輪的軸心為支點(diǎn)的，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的軸心取矩，對(duì)圖3.1所示的情況進(jìn)行受力分析，則清掃機(jī)器人不會(huì)發(fā)生滾動(dòng)的條件為：</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　根據(jù)上面的不等式我們可以

66、求出關(guān)于的不等式，即的臨界值：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　根據(jù)上面三種防止水下清掃機(jī)器人發(fā)生失效的情況，我們可以得出磁吸附力F和步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩的臨界值為：</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　上面的三種失效形式就是水下清掃

67、機(jī)器人在靜態(tài)時(shí)的受力情況，根據(jù)以上的臨界值，我們可以避免水下清掃機(jī)器人在靜態(tài)特殊狀態(tài)下失效。</p><p>　　3.3.2 動(dòng)態(tài)特殊工作狀態(tài)下的受力分析</p><p>　　水下船體清掃機(jī)器人在船體表面行走時(shí)會(huì)因?yàn)榇霸谒械母〕烈约扒鍜邫C(jī)器人在行走時(shí)受到的水的阻力等等受力情況會(huì)發(fā)生一定的改變。清掃機(jī)器人行走的特殊工作狀態(tài)就是指機(jī)器人在船體表面從上往下行走以及從下往上行走兩種狀態(tài)。當(dāng)水下

68、清掃機(jī)器人在船體表面從上往下或者從下往上時(shí)，機(jī)器人受到的水的阻力、履帶與船體表面的摩擦力以及步進(jìn)電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩都會(huì)因此而發(fā)生一定的改變，所以要對(duì)這兩種狀態(tài)分別進(jìn)行受力分析。水下清掃機(jī)器人在水中的受力有重力、船體表面與其中一個(gè)履帶之間的磁吸附力,船體表面對(duì)履帶的支持力,船體表面與履帶之間的靜摩擦力、清掃機(jī)器人與船舶一起做升沉運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在升沉方向的受力、清掃機(jī)器人在水中受到的浮力、海水的阻力。</p><p>　　(

69、a)自下往上的特殊工作狀態(tài)</p><p>　　水下清掃機(jī)器人在船體表面行走的時(shí)候不能夠速度不均勻，所以我們必須提供一個(gè)合適的由步進(jìn)電機(jī)和減速器提供的驅(qū)動(dòng)力矩Mq來(lái)平衡從動(dòng)輪最邊上的一個(gè)永磁鐵塊的磁力Fm1產(chǎn)生的克服力矩以及其他外力產(chǎn)生的克服力矩，從而使力矩平衡，使清掃機(jī)器人能夠勻速上行。自下而上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的受力情況如下圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2行走機(jī)構(gòu)特殊工作狀態(tài)自下

70、而上運(yùn)動(dòng)的受力圖</p><p>　　其中：a.最邊上永磁鐵塊的吸附力與A點(diǎn)的距離；H.清掃機(jī)器人重心高度；h.履帶的行動(dòng)裝置阻力與船體表面的垂直距離；l.A點(diǎn)與重心線的垂直距離；β.清掃機(jī)器人傾斜角度；G.清掃機(jī)器人的總重力（包括抗傾覆機(jī)構(gòu)）；Fzz.清掃機(jī)器人隨船舶上下浮沉是在升沉方向的受力；Fk.履帶的行動(dòng)裝置阻力；Fr.水流對(duì)清掃機(jī)器人的阻力；Fb.水的浮力；Mq.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩；Fm1.最邊上永磁鐵

71、塊的磁吸附力。</p><p>　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)水下清掃機(jī)器人的勻速上行，根據(jù)受力分析圖，對(duì)A點(diǎn)取矩，按照力矩平衡的法則，列出公式如下：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　其中：（1）；</b></p><p>　　（2）的大小取決于清掃機(jī)器人的自重、履帶的

72、內(nèi)部張力和移動(dòng)速度,其值約為清掃機(jī)構(gòu)自重的3%--8%；</p><p>　　(3) 海水阻力的大小：</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　式中:---機(jī)器人表面積（m2）；</p><p>　　---機(jī)器人移動(dòng)速度（m/s)；</p><p>　　---阻力系數(shù),

73、=0.25。</p><p>　　為了能夠使清掃機(jī)器人在船體表面勻速行走，則令,則</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　(b)自上往下的特殊工作狀態(tài)</p><p>　　當(dāng)水下清掃機(jī)器人自上往下行走的時(shí)候，它的受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生一些改變。雖然依然受到和自下往上一樣的力，但是其中某些力的方向?qū)?/p>

74、會(huì)發(fā)生改變，其中履帶的行動(dòng)裝置阻力和水流對(duì)清掃機(jī)器人的阻力方向?qū)?huì)完全的相反，同時(shí)，最邊上的永磁鐵塊受力的位置也將會(huì)發(fā)生改變。在分析的時(shí)候，同樣也是要保證清掃機(jī)器人能夠在制動(dòng)力矩的作用下能夠勻速行駛。自上而下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的受力情況如下圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3行走機(jī)構(gòu)特殊工作狀態(tài)自上而下運(yùn)動(dòng)的受力圖</p><p>　　其中：a.最邊上永磁鐵塊的吸附力與B點(diǎn)的距離；H.清

75、掃機(jī)器人重心高度；h.履帶的行動(dòng)裝置阻力與船體表面的垂直距離；l. A點(diǎn)與重心線的垂直距離；β.清掃機(jī)器人傾斜角度；G.清掃機(jī)器人的總重力（包括抗傾覆機(jī)構(gòu)）；Fzz.清掃機(jī)器人隨船舶上下浮沉是在升沉方向的受力；Fk.履帶的行動(dòng)裝置阻力；Fr.水流對(duì)清掃機(jī)器人的阻力；Fb.水的浮力；Mr+Mt.步進(jìn)電機(jī)和減速器的制動(dòng)力矩；Fm1.最邊上永磁鐵塊的磁吸附力。</p><p>　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)水下清掃機(jī)器人的勻速下行，

76、必須提供足夠的步進(jìn)電機(jī)和減速去的制動(dòng)力矩與外力矩平衡。根據(jù)受力分析圖，對(duì)B點(diǎn)取矩，按照力矩平衡的法則，列出公式如下：</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p><b>　　其中：(1);</b></p><p>　　(2)同公式(9)。</p><p>　　為了能夠使清掃機(jī)器

77、人在船體表面勻速行走，則令,則</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　3.4一般工作狀態(tài)下的受力分析</p><p>　　水下清掃機(jī)器人的一般工作狀態(tài)為沿著船舶表面同一高度的直線方向進(jìn)行清掃，其前進(jìn)方向與清掃機(jī)器人的重力方向垂直。同樣，清掃機(jī)器人與船舶表面所成夾角在0°到90°內(nèi)變化，工作狀態(tài)

78、也分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，但是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩所在的平面與該處受力分析所在的平面相垂直，所以步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)此處的受力并沒(méi)有影響，這樣便可以不考慮驅(qū)動(dòng)力矩所帶來(lái)的影響，因此靜態(tài)與動(dòng)態(tài)在此平面的受力是一樣的。一般運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下我們要考慮的是防止水下清掃機(jī)器人發(fā)生滑落以及在某點(diǎn)發(fā)生傾覆的現(xiàn)象。因?yàn)槭茄刂巴还捕鹊闹本€方向，因此不會(huì)發(fā)生滾動(dòng)的狀況，所以整個(gè)一般工作狀態(tài)下的清掃機(jī)器人只需要考慮兩種失效形式。在這兩種情況下，清掃機(jī)器人所受到的力

79、有永磁鐵塊的磁吸附力、清掃機(jī)器人的重力、水的浮力、水對(duì)清掃機(jī)器人的阻力、履帶與船舶表面產(chǎn)生的摩擦力等。一般工作狀態(tài)下的受力分析如下圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 行走機(jī)構(gòu)一般工作狀態(tài)下的受力圖</p><p>　　其中：G.清掃機(jī)器人的總重力（包含抗傾覆機(jī)構(gòu)）與浮力之和；γ.清掃機(jī)器人與豎直位置夾角；H.清掃機(jī)器人的重心高度；F.左右每排履帶永磁鐵塊的磁吸附力；f.左右每排履

80、帶與船壁的摩擦力;Fa.水流對(duì)清掃機(jī)器人的反作用力；d.左右履帶中心之間的距離。</p><p>　　因?yàn)樗虑鍜邫C(jī)器人在一般工作狀態(tài)下只會(huì)發(fā)生兩種狀態(tài)的失效，因此需要對(duì)這兩種狀態(tài)分別進(jìn)行受力分析。</p><p><b>　　防止下滑的受力分析</b></p><p>　　防止下滑即是永磁鐵塊的磁吸附力要大于重力與浮力之和在垂直于船體表面方向

81、的分力，同時(shí)也要使履帶與船體表面之間的摩擦力大于重力與浮力之和在平行于船體表面方向的分力。根據(jù)這樣的分析，則使清掃機(jī)器人不發(fā)生滑落的條件是：</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p><b>　　其中：(1)；</b></p><p><b>　　(2)。</b></p&

82、gt;<p>　　所以可以根據(jù)以上不發(fā)生滑落現(xiàn)象的條件得出磁吸附力的臨界值為：</p><p><b>　　(3-14)</b></p><p><b>　　防止傾覆的受力分析</b></p><p>　　當(dāng)清掃機(jī)器人在一般工作狀態(tài)下的時(shí)候，由于外力產(chǎn)生的力矩，有可能會(huì)在C點(diǎn)產(chǎn)生傾覆現(xiàn)象，因此，我們必須嚴(yán)格的

83、控制外力，防止發(fā)生傾覆現(xiàn)象。根據(jù)這樣的要求，對(duì)C點(diǎn)取矩，得到防止發(fā)生傾覆現(xiàn)象條件為：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p><b>　　其中：；</b></p><p>　　所以可以根據(jù)以上不發(fā)生傾覆現(xiàn)象的條件得出磁吸附力的臨界值為：</p><p><b>　

84、　(3-16)</b></p><p>　　根據(jù)上面兩種防止水下清掃機(jī)器人發(fā)生失效的情況，我們可以得出磁吸附力F在一般工作狀態(tài)下的臨界值為：</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　3.5 行走機(jī)構(gòu)減速器步進(jìn)電機(jī)的選型</p><p>　　根據(jù)以上的受力分析，我們可以根據(jù)得到的臨

85、界值條件，進(jìn)行電機(jī)的選擇。因?yàn)榭紤]到水下清掃機(jī)器人整體的重量會(huì)對(duì)其有重要影響，所以，我們應(yīng)該盡量選擇體積小、重量輕、扭矩大的電機(jī)，同時(shí)，我也選擇帶減速器的步進(jìn)電機(jī)，這樣電機(jī)和減速器在一起會(huì)讓整個(gè)結(jié)構(gòu)更加的合理。根據(jù)以上的公式:取，則可以求出M的臨界值為：</p><p>　　因此，為了滿足任何情況下的要求，我選擇的帶減速器步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型為PX86N006S0，電機(jī)的具體參數(shù)表3.1所示：</p>&

86、lt;p>　　表3.1 電機(jī)的參數(shù)</p><p><b>　　3.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)清掃機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)做受力分析，主要包括特殊狀態(tài)和一般狀態(tài)下兩種情況。特殊狀態(tài)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種情況。一般狀態(tài)下靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的受力狀況一樣。通過(guò)對(duì)行走機(jī)構(gòu)整體的受力分析來(lái)求出磁吸力和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是能夠保證清掃機(jī)器人正常工作的重要條件。</p&

87、gt;<p>　　第四章 行走機(jī)構(gòu)的有限元分析</p><p><b>　　4.1 引言</b></p><p>　　清刷機(jī)器人在的工作環(huán)境是在水下，為了能夠使其在水下正常的工作，必須使其中重要的結(jié)構(gòu)滿足一定的強(qiáng)度，支撐其完成相應(yīng)的工作，因此，本章對(duì)其重要的零件有限元分析，校核驗(yàn)證是否滿足強(qiáng)度和剛度要求。</p><p>　　4.

88、2 清掃機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的有限元分析</p><p>　　水下清掃機(jī)器人在水中工作的時(shí)候因?yàn)槭艿阶陨碇亓σ约捌渌饬Φ那闆r下，會(huì)讓清掃機(jī)器人的某一些結(jié)構(gòu)承受大部分的力，如果這些結(jié)構(gòu)發(fā)生點(diǎn)裂痕、內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損、變形過(guò)大甚至是結(jié)構(gòu)直接報(bào)廢，那么對(duì)水下機(jī)器人是十分不利的，這樣會(huì)使水下清掃機(jī)器人清掃船舶表面的工作的效率大打折扣，甚至是不能夠工作，這樣的情況我們是絕對(duì)不允許發(fā)生的。為了能夠避免這樣的情況發(fā)生，我們必須在設(shè)計(jì)的時(shí)

89、候充分考慮他的受力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變以及變形情況，因此對(duì)某些主要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析就顯得尤為重要。有限元分析可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的尺寸以及所選的材料是否滿足設(shè)計(jì)的要求，如果不滿足可以按照要求進(jìn)行修改，直到滿足要求為止。</p><p>　　水下清掃機(jī)器人的主要部位有兩個(gè)地方，分別是電機(jī)承重板和支架部分。電機(jī)承重板承載了清刷機(jī)構(gòu)的全部重量，因此它能否正常的進(jìn)行承載工作直接決定了水下清掃機(jī)器人是否能夠正常進(jìn)行清掃。

90、支架部分則承載了電機(jī)承重板及其上的清刷機(jī)構(gòu)的重量，同時(shí)還承載了抗傾覆機(jī)構(gòu)的重量，因此支架部分也直接決定了清刷機(jī)器人是否能夠正常有效的工作。因此，必須對(duì)這兩個(gè)部分進(jìn)行有限元分析從而保證清刷機(jī)器人的正常工作。下面將會(huì)使用SolidWorks軟件分別對(duì)這兩部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。</p><p>　　4.3 清掃機(jī)構(gòu)的電機(jī)承重板的有限元分析</p><p>　　水下清掃機(jī)器人電機(jī)承重板要承載整個(gè)

91、清刷機(jī)構(gòu)的重量，因此對(duì)它的分析顯得尤為重要。因?yàn)橐獙⑵涔潭ㄔ诼膸厦娴闹Ъ懿糠?，因此上面?huì)有一些空，有空就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。同時(shí)，因?yàn)檫@塊承重板上面是要放清刷機(jī)構(gòu)的電機(jī)的，因此，對(duì)放電機(jī)產(chǎn)生的圓孔要做一定的分析?，F(xiàn)在從SolidWorks中導(dǎo)入電機(jī)承重板的零件圖，如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 電機(jī)承重板的零件圖</p><p>　　在對(duì)電機(jī)承重板進(jìn)行有限元分析的時(shí)候，

92、必須要進(jìn)行一系列的步驟，首先第一步就是要對(duì)分析的零件添加夾具，使其能夠固定。在電機(jī)承重板中，因?yàn)樗枪潭ㄔ谥Ъ苌厦娴模晕覀円獙?duì)它的8個(gè)小圓孔進(jìn)行固定。固定好以后，我們就要對(duì)電機(jī)承重板上面的大圓孔施加壓力，根據(jù)上面所知，我們應(yīng)該添加的壓力為100N，其載荷圖如圖4.2所示：</p><p>　　圖4.2 電機(jī)承重板的載荷圖</p><p>　　施加完載荷之后，就應(yīng)該對(duì)施加壓力的電機(jī)承重板

93、進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候，必須注意，當(dāng)我們的網(wǎng)格劃分的越細(xì)，那么計(jì)算出的結(jié)果就會(huì)更加的準(zhǔn)確，同樣，這樣對(duì)電腦的內(nèi)存要求也相對(duì)的會(huì)提高不少，計(jì)算時(shí)間也會(huì)更加的長(zhǎng)。其網(wǎng)格劃分的圖如圖4.3所示：</p><p>　　圖4.3 電機(jī)承重板的網(wǎng)格劃分圖</p><p>　　網(wǎng)格劃分完之后就可以對(duì)電機(jī)承重板進(jìn)行有限元分析。在進(jìn)行運(yùn)算之前，我們必須要選擇零件的材料，這里我們選擇304不銹鋼，

94、它的彈性模量為，泊松比為0.29。經(jīng)過(guò)有限元分析，得到應(yīng)力和變形圖如圖4.4和圖4.5所示：</p><p>　　圖4.4 電機(jī)承重板的應(yīng)力圖</p><p>　　圖4.5 電機(jī)承重板的位移圖</p><p>　　由應(yīng)力圖可知，所用材料304不銹鋼的屈服極限應(yīng)力為206.8MPa，電機(jī)承重板的最大應(yīng)力值并沒(méi)有超過(guò)屈服極限應(yīng)力，強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足的。由總位移圖可知，電機(jī)承

95、重板的最大位移為0.001818mm，并且出現(xiàn)在電機(jī)承重板所受力大圓孔的外側(cè)，但是這相對(duì)于電機(jī)承重板的整體來(lái)說(shuō)數(shù)值是非常小的。由分析結(jié)果可得出，電機(jī)承重板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　4.4行走機(jī)構(gòu)支架部分的有限元分析</p><p>　　水下清掃機(jī)器人支架部分同樣要承載整個(gè)清刷機(jī)構(gòu)和電機(jī)承重板的重量，同時(shí)它還要承受抗傾覆機(jī)構(gòu)的重量，因此要對(duì)這兩部分的支架部分進(jìn)行有限

96、元分析。因?yàn)橐獙㈦姍C(jī)承重板和整個(gè)清刷機(jī)構(gòu)固定支架部分上面，因此上面會(huì)有一些空，有空就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。應(yīng)力集中的部分是最容易出現(xiàn)問(wèn)題的，所以這部分要特別注意。</p><p>　　4.4.1支撐抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分有限元分析</p><p>　　現(xiàn)在從SolidWorks中導(dǎo)入承載抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分的零件圖，支架部分的零件圖如圖4.6所示： </p><p>

97、　　圖4.6 承載抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分零件圖</p><p>　　為了能夠?qū)Τ休d抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分進(jìn)行有限元分析，要進(jìn)行一系列的步驟：首先必須要對(duì)其進(jìn)行添加夾具，使其能夠固定。對(duì)于這個(gè)零件，將會(huì)用螺栓被固定在承載機(jī)構(gòu)上面，所以我們選擇固定其下面的三個(gè)圓孔。在對(duì)其進(jìn)行固定之后，就要添加壓力。壓力的添加就要考慮其數(shù)值的大小以及作用的位置。添加的力的大小為整個(gè)清刷機(jī)構(gòu)及其電機(jī)承重板的1/4，而作用的位置就在電機(jī)承重板

98、固定在支架上面的那部分。載荷圖如圖4.7所示：</p><p>　　圖4.7 承載抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分載荷圖</p><p>　　添加完載荷之后就對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格劃分的圖如圖4.8所示：</p><p>　　圖4.8 承載抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分網(wǎng)格圖</p><p>　　網(wǎng)格劃分完之后就可以對(duì)支架部分進(jìn)行有限元分析。在進(jìn)行運(yùn)算之前，我們

99、必須要選擇零件的材料，這里我們選擇304不銹鋼，它的彈性模量為，泊松比為0.29。經(jīng)過(guò)有限元分析，得到應(yīng)力和變形圖如圖4.9和圖4.10所示：</p><p>　　圖4.9 承載抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分應(yīng)力圖</p><p>　　圖4.10 承載抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分位移圖</p><p>　　由應(yīng)力圖可知，所用材料304不銹鋼的屈服極限應(yīng)力為206.8MPa，承載抗傾覆

100、機(jī)構(gòu)的支架部分的最大應(yīng)力值并沒(méi)有超過(guò)屈服極限應(yīng)力，強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足的。由總位移圖可知，承載抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分的最大位移為0.0009839mm，并且出現(xiàn)在最上面的圓孔的外側(cè)，但是這相對(duì)于支架部分的整體來(lái)說(shuō)數(shù)值是非常小的。由分析結(jié)果可得出，承載抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　4.4.2支撐電機(jī)承重板的支架部分有限元分析</p><p>　　支撐電機(jī)承重

101、板的支架部分全部承載了整個(gè)清刷機(jī)構(gòu)及其電機(jī)承重板的1/4的重量。現(xiàn)在從SolidWorks中導(dǎo)入承載電機(jī)承重板的支架部分的零件圖，支架部分的零件圖如圖4.11所示：</p><p>　　圖4.11 承載電機(jī)承重板的支架部分零件圖</p><p>　　同樣的，為了能夠?qū)Τ休d電機(jī)承重板的支架部分進(jìn)行有限元分析，也要進(jìn)行一系列的步驟：首先必須要對(duì)其進(jìn)行添加夾具，使其能夠固定。對(duì)于這個(gè)零件，將會(huì)用

102、螺栓被固定在承載機(jī)構(gòu)上面，所以我們選擇固定其下面的三個(gè)圓孔。在對(duì)其進(jìn)行固定之后，就要添加壓力。壓力的添加就要考慮其數(shù)值的大小以及作用的位置。添加的力的大小為整個(gè)清刷機(jī)構(gòu)及其電機(jī)承重板的1/4，而作用的位置就支架上面的整個(gè)部分。載荷圖如圖4.12所示：</p><p>　　圖4.12承載電機(jī)承重板的支架部分載荷圖</p><p>　　添加完載荷之后就對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格劃分的圖如圖4.1

103、3所示：</p><p>　　圖4.13承載電機(jī)承重板的支架部分網(wǎng)格圖</p><p>　　網(wǎng)格劃分完之后就可以對(duì)支架部分進(jìn)行有限元分析。在進(jìn)行運(yùn)算之前，我們必須要選擇零件的材料，這里我們選擇304不銹鋼，它的彈性模量為，泊松比為0.29。經(jīng)過(guò)有限元分析，得到應(yīng)力和變形圖如圖4.14和圖4.15所示：</p><p>　　圖4.14承載電機(jī)承重板的支架部分應(yīng)力圖&l

104、t;/p><p>　　圖4.15承載電機(jī)承重板的支架部分位移圖</p><p>　　由應(yīng)力圖可知，所用材料304不銹鋼的屈服極限應(yīng)力為206.8MPa，承載電機(jī)承重板的支架部分的最大應(yīng)力值并沒(méi)有超過(guò)屈服極限應(yīng)力，強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足的。由總位移圖可知，承載抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分的最大位移為0.02696mm，并且出現(xiàn)在最上面的圓孔的外側(cè)，但是這相對(duì)于支架部分的整體來(lái)說(shuō)數(shù)值是非常小的。由分析結(jié)果可得出，

105、承載電機(jī)承重板的支架部分結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　4.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)水下清掃機(jī)器人的主要零件進(jìn)行了的有限元分析，確定其強(qiáng)度和剛度是否滿足要求。主要是兩個(gè)部位，一個(gè)是承載電機(jī)的城中版，它是承載整個(gè)清刷機(jī)構(gòu)重量的零件，因此它能否正常的工作是至關(guān)重要的。另一個(gè)就是支架部分，它也是承載了整個(gè)清刷機(jī)構(gòu)的重量

106、。所以這兩個(gè)部分是最重要的，強(qiáng)度和剛度必須要滿足一定的要求。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本課題“水下船體清掃機(jī)器人用磁輪吸附行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)”是為了能夠?qū)崿F(xiàn)全面的自動(dòng)化清掃船舶表面的垃圾而提出的，它是為了能夠代替人工清掃，這樣既可以保證人員的安全，同時(shí)也提高了清掃的效率。</p><p>　　本文主要是設(shè)計(jì)了水

107、下清掃機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，包括：</p><p>　　1.設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)在水下行走的重要機(jī)構(gòu)。水下清掃機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，主要包括吸附機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、承載機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。吸附機(jī)構(gòu)是比較重要的，文章采用的是永磁鐵塊懸空吸附，這樣既可以保證足夠的磁吸附力，同時(shí)也可以避免因?yàn)榕鲎财茐牧擞来盆F塊。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則使用的是鏈傳動(dòng)。承載機(jī)構(gòu)顧名思義就是承載了水下清掃機(jī)器人大部分重量。張緊機(jī)構(gòu)則是為了防止從動(dòng)輪和鏈條松動(dòng)。驅(qū)動(dòng)則

108、是采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　2.對(duì)水下清掃機(jī)器人在水下的各種情況進(jìn)行詳細(xì)的受力分析。因?yàn)榍鍜邫C(jī)器人是在水下進(jìn)行工作的，所以要考慮到在水下的受力狀況，。文章分別對(duì)清掃機(jī)器人的特殊狀態(tài)和一般狀態(tài)進(jìn)行了受力分析，通過(guò)受力分析可以得出關(guān)于磁吸附力和電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的關(guān)系式，從而可以對(duì)永磁鐵塊和電機(jī)進(jìn)行選型。</p><p>　　3.對(duì)水下清掃機(jī)器人的某些重要零件進(jìn)行有限元分析。這些零件是

109、能夠保證水下清掃機(jī)器人正常工作的零件，主要包含兩個(gè)地方，一個(gè)是只承載電機(jī)承重板的支架部分，另一個(gè)是同時(shí)承載電機(jī)承重板和抗傾覆機(jī)構(gòu)的支架部分，進(jìn)過(guò)對(duì)其有限元分析，這兩部分都能滿足強(qiáng)度和剛度要求。</p><p>　　水下清掃機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步研究工作：</p><p>　　1.目前的水下清掃機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)只局限于吸附于船體表面是鐵制的船舶，這樣的清掃機(jī)器人有一定的局限性，因此要提高清掃

110、機(jī)器人的通用性。</p><p>　　2.提高水下清掃機(jī)器人在水下清掃過(guò)程中跨越障礙的能力，增強(qiáng)其智能化水平。</p><p>　　3.水下清掃機(jī)器人應(yīng)該越來(lái)越小型化，重量越來(lái)越輕，這樣可以提高水下清掃機(jī)器人在水下的靈活性，在減輕重量的同時(shí)，也保證了水下清掃機(jī)器人更加可靠的工作。</p><p>　　水下清掃機(jī)器人極大的提高了清掃船舶表面垃圾的效率，降低了水下勞動(dòng)的