水下清污机器人工作臂系统的运动与路径优化

发布时间：2020-05-24 00:12

【摘要】：导管架平台是一种大型的海上钢结构框架,是现代海洋石油开采的重要装备。而在平台工作期间,导管架平台桩基会由于大量海洋生物长时间的附着造成严重腐蚀,进而危害平台安全。目前针对导管架平台附着生物的清洗主要有人工清洗和机器清洗两种方式。鉴于机器清洗具有安全高效等优点,本文设计了一套用于导管架平台清洗的水下机器人—机械臂系统(Underwater Vehicle Manipulator System,简称 UVMS),创新性地采用双抱臂系统代替常见的吸附式定位系统,从而提高系统的可靠性。本文针对该UVMS系统,在考虑机械臂水动力特性前提下,分别建立了作业机械臂的运动学模型和动力学模型,在对作业机械臂的高压喷嘴的工作姿态优化基础上,建立了基于蚁群算法的机械臂的工作路径优化方法,从而提高水下清污机器人的工作效率。首先,根据工作对象的尺寸设计了一个合适的作业臂,对机械臂的运动学问题,采用Denavit-Hanenber法建模,推导出运动学的正解和逆解,再使用蒙特卡洛法确定机械臂的工作区间,并在Matlab工具箱中验证机械臂运动解的正确性,完成指定的运动路径规划仿真。然后,针对机械臂的动力学问题,基于拉格朗日法和雅可比矩阵理论,在Matlab/SimScape中建立了机械臂的动力学仿真模型,通过添加质量、惯性矩等参数信息,完成预定的轨迹运动,得到各关节所需力矩的大小,为后续驱动液压油缸的选型提供参考依据。此外,为了得到机械臂末端工作水枪清洗的最佳姿态,介绍了高压水射流的相关理论,重点探讨水射流的射流参数和清洗机理。在理论的基础上利用Fluent软件对高压水射流流场进行仿真分析,得到靶面打击应力和剪切应力分布,确定了水射流的最佳靶距和入射角度。最后,针对本课题水下机器人的具体作业需求,提出了一种以能量和时间最优不同优化目标,通过蚁群算法最为优化方法的路径优化算法,提高机械臂的工作效率。计算结果表明,相比传统扫描式的工作路径,上述两种优化算法均能大幅度提升水下机械臂的工作效率,降低能量损耗,为以后实际工程应用中机械臂的工作路径设定提供合理的依据。
【图文】：

图 1-5 沈阳自动化研究所二自由度机械臂图 1-6 华中科技大学三自由度机械臂人研究现状下钢结构的清洗，国内早在 20 世纪 80 年代的技术水平，最初的工作方式主要是潜水7）。这种清洗方式的清洗效率低，连续作PDF编

图 1-6 华中科技大学三自由度机械臂人研究现状下钢结构的清洗，，国内早在 20 世纪 80 年代就时的技术水平，最初的工作方式主要是潜水员-7）。这种清洗方式的清洗效率低，连续作业水射流的理论和技术的发展，高压水射流成为还是依靠人工水下作业[14]。高压水射流的作时潜水员需要手持喷枪清洗目标，巨大的水威胁。再者对于深海环境下的结构物，水下大挑战，人工作业更加难以实现。PDF
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE95

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本文编号：2678165