船體水下表面清理機(jī)器人總體方面的設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u1926船體水下表面清理機(jī)器人總體方面的設(shè)計(jì)案例概述 1189181.1船體水下表面清理機(jī)器人設(shè)計(jì)要求 132171.2船體水下表面清理機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2242891.2.1機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 2127801.2.2行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2204891.2.3清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 41.1船體水下表面清理機(jī)器人設(shè)計(jì)要求船體水下表面清潔機(jī)器人的主要技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)意圖之一是其處理船體模塊在水下地區(qū)處于一個(gè)能夠?qū)⒁粋€(gè)清潔的船體模塊直接吸附到其他清潔的船體模塊的表面(其中這個(gè)模塊很有可能會(huì)涵蓋水下各種不同速度和曲率的船體)這樣一個(gè)條件下，就可以考慮通過其所具備的能夠承受到的清潔船體模塊，針對(duì)容易被船體除去的各類藻物水下生物以及藤壺、貝類等許多難以被船體除去的有力船體附著物，進(jìn)行了一次整體的分級(jí)與清潔。它使用戶可以獨(dú)立自主地根據(jù)判別方向來自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)不同智能化的對(duì)船體進(jìn)行清掃，另外還甚至可以由船上操作人員遠(yuǎn)程控制地自動(dòng)操控在船體附著物眾多或者主要是處在船體結(jié)構(gòu)中的重要活動(dòng)地點(diǎn)上來進(jìn)行各種具有高度針對(duì)性的智能強(qiáng)力船體清掃。在進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)制訂一個(gè)船體水下表面清理機(jī)器人的功能設(shè)計(jì)方案時(shí)，就常常需要按照其基本功能、外觀及清潔的質(zhì)量、效果等各個(gè)參數(shù)因素來分別做出一個(gè)相應(yīng)的功能設(shè)置。理想狀態(tài)下船體水下表面清理機(jī)器人應(yīng)該有如下的設(shè)計(jì)要求。在動(dòng)態(tài)性能方面上應(yīng)該在承載九到十六組清掃裝置的同時(shí)可以負(fù)載其他功能的模塊。并且可以耐受住水流的沖擊，以及船體的傾斜以及震動(dòng)。其中船體水下表面清理機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要準(zhǔn)確反映要快。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠耐得住沖擊，且具有良好的防漏電保護(hù)裝置。在外形上應(yīng)該最大尺寸應(yīng)小于船體切線尺寸。并且可以適用于不同曲率的船體。1.2船體水下表面清理機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.2.1機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則船體水下表面清理機(jī)器人作為設(shè)計(jì)對(duì)象，其整體機(jī)械系統(tǒng)包括：行走機(jī)構(gòu)以及清掃機(jī)構(gòu)。展開來看，其行走機(jī)構(gòu)由吸附機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)械、承載機(jī)械、張緊機(jī)械、驅(qū)動(dòng)裝置等組成。行走機(jī)構(gòu)通過內(nèi)部的型材首尾交錯(cuò)連接組成支撐清掃機(jī)構(gòu)的整體架構(gòu)，并通過便捷的模塊化接口，可以自由連接，拓展其清掃模塊。根據(jù)對(duì)水下清掃船體機(jī)器人的分析發(fā)現(xiàn)其設(shè)計(jì)的主要有一下幾條原則：①穩(wěn)定性。這是產(chǎn)品生存的關(guān)鍵是其他功能的重要保證。也是設(shè)計(jì)的核心，這需要從設(shè)計(jì)一開始就考慮到。為此在設(shè)計(jì)時(shí)，必須從機(jī)構(gòu)的基本原理、加工方法的實(shí)現(xiàn)等方面設(shè)定設(shè)計(jì)參數(shù)，處理策略等。②實(shí)用性。制定可靠、經(jīng)濟(jì)合理的方案不僅降低了成本，而且是生產(chǎn)和未來工業(yè)化的主要方向之一。③通用性。關(guān)于功能，水處理機(jī)器人的要求更高。功能是產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的重要保證，也是產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)的重要指標(biāo)。現(xiàn)有的水下船體清潔機(jī)器人，我們首先提出了通用性的概念，改進(jìn)了其缺點(diǎn)和功能性。通過自由模塊集和連接，擴(kuò)大應(yīng)用范圍也是產(chǎn)品的特點(diǎn).1.2.2行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)船體的表面和船體的表面水下清掃機(jī)器人主要目的就是在水下和船體的表面上進(jìn)行一系列清掃操作，因此它們的行走和機(jī)構(gòu)都必須是直接被吸附在船體表面的，所以怎么樣才可能做到讓這些清掃機(jī)器人直接被吸附在整個(gè)船體的表面上并且這樣它們就可以自由地在船體中行走又免遭水下的各種壓力以及接觸到焊縫等條件的干擾。，這個(gè)問題就需要我們進(jìn)行一些關(guān)于解決。由于考慮到整個(gè)船體都是由具有一定的彎曲弧度，所以我們就要求具備了一個(gè)足夠的磁性和吸引力，這樣才能確保行走的機(jī)構(gòu)以及清刷機(jī)器人自身都能夠很好地吸附在整個(gè)船體的外殼上，因此我們建議盡量選用永磁體機(jī)構(gòu)來作為其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行吸附，同時(shí)還可以考慮在履帶中間加設(shè)一個(gè)磁輪，從而保證它具備一個(gè)足夠的磁性與吸引能力，這就要求了清刷機(jī)器人能將其依附于整個(gè)飛行物和船體表面。在水下，主要目的是為了考慮檢測(cè)到一臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人所要承受的驅(qū)動(dòng)力矩是否具有包括重力、浮力、機(jī)器人和整個(gè)驅(qū)動(dòng)船體船身表面的軸向摩擦力、水平驅(qū)動(dòng)力以及一臺(tái)發(fā)電機(jī)的齒輪驅(qū)動(dòng)力，因此，我們還可能需要重新設(shè)計(jì)一套運(yùn)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，通過對(duì)清刷式驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)靜止和穩(wěn)定動(dòng)態(tài)兩種工作條件下所需要承受的摩擦力和驅(qū)動(dòng)力矩之間的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)規(guī)律關(guān)系進(jìn)行綜合分析，從而我們可以直接計(jì)算出來得出單一永磁體所運(yùn)動(dòng)需要的最低磁場(chǎng)或吸附力和最低驅(qū)動(dòng)人在履帶上的行步和推進(jìn)的發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。鑒于目前考慮涉及到這種清刷式船體機(jī)器人主要用途是在水下的艦舶船體內(nèi)部表面上來進(jìn)行清刷工作，所以由于為了能夠使其機(jī)械結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，因此對(duì)于船體行走式器械機(jī)構(gòu)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)組成部分及其組成主要包括：船體吸附式器械機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)式器械機(jī)構(gòu)、承載式器械機(jī)構(gòu)、張緊式器械機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)式器械機(jī)構(gòu)等。其三維圖和二維圖分別定義為別如下面的圖1.1和1.2所示：圖1.SEQ圖\*ARABIC\s11清刷式機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)三維示意圖1.鏈輪1.多種連接方式鏈條3.動(dòng)力傳動(dòng)鏈輪承載鉸鏈結(jié)構(gòu)4.張緊式鉸鏈結(jié)構(gòu)5.永磁性復(fù)合鐵塊6.磁輪7.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖1.2清刷機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)二維圖船體表面船體表面水下清掃機(jī)器人的自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)主要有兩部分一般是由兩條相同的步進(jìn)履帶共同驅(qū)動(dòng)組成，每條步進(jìn)履帶由一個(gè)不同步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，工作時(shí)僅僅只需要將兩條步進(jìn)履帶同時(shí)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，通過對(duì)兩個(gè)不同步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的履帶轉(zhuǎn)速相同與不同，這樣便可以使我們就這樣可以輕松地同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種清刷加工機(jī)器人的平行直線與橫向轉(zhuǎn)彎。行走主要指的是通過鏈輪和軸傳動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方式電機(jī)來自動(dòng)進(jìn)行，電機(jī)則主要是通過鏈輪旋轉(zhuǎn)來直接帶動(dòng)機(jī)械履帶電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)行走，從而最終達(dá)到了自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)履帶的自動(dòng)行走。在運(yùn)動(dòng)履帶上面它還安裝了具有永磁性的大型固態(tài)半導(dǎo)體塊和驅(qū)動(dòng)磁輪，用來幫助實(shí)現(xiàn)永磁吸附等特殊功能。在清刷傳動(dòng)機(jī)器人上面的張緊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了有效防止傳動(dòng)鏈輪和清刷連接器受到的清刷鏈條不嚴(yán)格地互相發(fā)生接觸。1.2.3清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)清掃機(jī)構(gòu)是船體表面船體表面水下清掃機(jī)器人的核心，目前已有的清掃方式主要有：剛性清掃方式和柔性清掃方式。剛性清掃方式如圖1.3所示。圖1.3現(xiàn)有剛性清掃方式如圖1.3所示，通過快速旋轉(zhuǎn)外周剛性葉片2，敲擊棒輪或其他牢固的緊固部件，可以去除現(xiàn)有的剛性清掃方法。然而，由于外殼本身突出的焊接焊縫不能避免在損壞工具的同時(shí)破壞外殼，所以用戶是不能接受。如圖1.4所示的性清理方式，這種清理方式只能對(duì)于像藻類那樣比較容易清理的水生生物可以進(jìn)行有效地清理。但是像藤壺和貝類等這樣堅(jiān)固的物質(zhì)是沒有辦法得到有效的清理，所以只能結(jié)合現(xiàn)有兩種清理方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行清洗。設(shè)計(jì)了船體表面船體表面水下清掃機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)。采用模塊設(shè)計(jì)理念，將設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)融入局部設(shè)計(jì)。圖1.4現(xiàn)有柔性清掃方式清洗機(jī)構(gòu)根據(jù)其功能分為三部分。外環(huán)柔性尼龍刷、內(nèi)半徑一定扭矩掃描刷、傳動(dòng)軸如圖1.5所示。圖1.5模塊化清掃刷盤外輪柔性刷在有容易脫落的緊固件時(shí)，可以簡(jiǎn)單地去除藻類。隨著洗凈盤的前進(jìn)，用簡(jiǎn)單的刷子清洗藤壺的表面。然后，在舵一側(cè)用使扭矩固定的方法使舵相撞，從3個(gè)方面回避了舵和船體的剛性接觸。另一方面，固定轉(zhuǎn)矩工具根據(jù)刷子和殼體的接觸離外殼，有一定的間隙。另一方面，工具采用固定轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)