轮履复合磁吸附式水下壁面机器人行走机构的研究

发布时间：2020-08-21 05:14

【摘要】：船舶长期在海水中航行,其水下部分的壁面会产生不同程度的腐蚀,同时还会有大量海生物附着。这不仅会增加船舶航行阻力,甚至会阻塞船底的设备注水口,影响船舶的正常运行,必须定期对船舶水下部分的壁面进行检测清理。由于船舶常年行驶或停泊于海水中,且其壁面具有良好的导磁性,因此,船舶所采用的水下壁面移动机器人的吸附方式以磁力吸附为主。但磁吸附式壁面移动机器人存在吸附与运动相耦合的问题,增大磁吸力导致运动灵活性变差,而提高运动的灵活性又会降低其磁吸力。为解决该问题,研究者们由履带上镶嵌永磁体的吸附移动方式发展到永磁轮的吸附移动方式,直至现阶段所研究的悬磁吸附车轮式、电磁吸附步足式、负压和永磁组合的吸附方式等。本文针对磁吸附式壁面移动机器人吸附与运动难以协调的问题,综合磁轮式壁面移动机器人的灵活运动特性和履带式壁面移动机器人的强吸附力特性,设计一种轮履复合磁吸附式壁面移动机器人,由磁轮和履带上的吸附单元同时提供磁吸力,以车轮行走为主,履带行走为辅的移动方式。主要研究内容包括:轮履复合机构、壁面机器人本体及其水下密封的设计;危险工况的力学建模计算;磁场力仿真分析;动力学建模仿真分析。在了解该壁面机器人的运行环境后,分析选择其吸附方式、移动方式和驱动方式。设计一种轮履复合机构,对磁吸附式壁面移动机器人的吸附与运动性能进行协调。之后对其进行水下静密封和动密封设计。壁面机器人在水上和水下两种环境中吸附于任意倾斜角度的船壁上,建立可能发生的法向脱离、翻转和沿壁面下滑三种临界状况的静态力学模型,并建立其做加速运动时可能发生的翻转和驱动轮打滑的动态力学模型,通过数值计算分析,提供该壁面机器人的安全吸附力依据。对磁环与壁面和吸附单元与壁面的三维静态磁场特性进行仿真计算,分析该壁面机器人的磁吸力随吸附间隙距离变化的关系,提供其吸附间隙距离的依据。建立壁面机器人动力学模型,采用不同吸附间隙距离下机器人与壁面之间的磁吸力,对其进行动力学仿真计算,分析磁吸力对其运动的影响及从动轮的附着力,验证理论分析的合理性。提供该壁面机器人的运动特性随吸附间隙变化而变化的相关数据,选取合适的吸附间隙,从而达到对该轮履复合磁吸附式壁面移动机器人的吸附与运动进行协调的目的。
【学位授予单位】：河南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

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上世纪 60 年代面世以来，之后壁面机器人的研究在全球范围内得到迅速发展段已有多种类型的壁面机器人投入使用[31]。国外磁吸附式壁面移动机器人发展研究现状国外多数国家在壁面机器人技术研究方面起步较早。其中日本是从事壁面机器早的国家，获得了大量技术积累。1966 年世界上第一台壁面机器人样机由日本大阪府立大学的西亮讲师研发成所示。该壁面机器人利用涵道风扇抽走吸盘内的空气达到负压吸附的目的，通转实现机器人在壁面上自由移动的功能[32]。1975 年西亮教授在第一代壁面机础上研制了轮式负压壁面机器人，如图 2 所示，该机器人采用单吸盘的吸附方式的移动方式，吸盘位于机器人中心部位提供吸附力；其重量轻、体积小，具速的移动能力，但是吸盘只适用于光滑壁面，在凹凸不平壁面吸盘难以完全致吸附力减弱，发生脱离壁面的风险[33,34]。

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图 3 足式负压壁面机器人图 4 推力正压壁面机器人了日本，很多国家在壁面机器人技术研究方面都取得了不俗的研究成果，修造方面应用比较广泛的磁吸附式壁面机器人。 5 是加拿大的 Magnetic Crawler 所研制的水下履带式磁吸附壁面机器人[37]侧履带上镶嵌永磁体，是磁吸附式壁面机器人吸附力最强的一种吸附方式30m 的水下环境安全吸附于壁面进行移动。国 Flow 公司与 CHUKAR 公司合作研发的名为 Hydro-Crawler 的壁面机器履带式吸附和移动的方式，具有较强的负载能力，采用液压马达提供足够，该机器人移动速度可达到 0.1m/s[38]，如图 6 所示。

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