水下清刷机械手的总体设计及方案分析

目前急需研制船舶表面水下自动清刷机器人,国内外对螺旋桨水下自动清刷机器人的研究还很少,水下清刷机械手的设计分析具有重要价值。针对要完成螺旋桨桨叶复杂曲面水下自动清刷作业的机械手,进行了方案设计,水下清刷机械手作为水下机器人的拓展模块,由2只具有对称结构的抓取机械手和1只清刷机械手组成,介绍了机械手的技术参数、总体系统、原理、功能和工作空间。该方案合理解决了高效、完整地对目标4叶螺旋桨进行清刷作业的关键问题。     

水下船体清刷机器人关键技术及其试验的研究

为了自动清刷水下船体表面附着的海生物和锈蚀等,降低船舶的航行阻力,研制了水下船体表面清刷机器人.首先建立了机器人在船体表面上的力学模型,推导了机器人抗倾覆、滑落和下滚的条件,设计了机器人所需要的吸附力和驱动力矩.针对电机可供密封用的轴向尺寸小的情况,在电机输出轴上加轴套,该轴套既起到了联接的作用,又为密封创造了条件,解决了密封难的问题.对水下清刷作业装置进行了动力学分析和优化设计.针对机器人的控制要求,设计了机器人的控制系统.最后对机器人样机性能进行了试验,验证了机器人样机各项性能指标符合使用要求.     

水下机器人清刷作业装置研究

结合机器人水下作业环境、机器人本体结构尺寸、清刷效果、驱动功率等因素,对机器人携带的水下清刷作业工具进行了动力学分析,建立了基于水下旋转运动的清洗刷具的力学模型,通过仿真和实验研究,为清刷装置的结构设计和驱动系统设计提供了依据。     

水下船体表面清刷机器人密封的设计

水下船体表面清刷机器人伺服电机输出轴可供密封用的轴向尺寸不足4mm,采用常规的动密封方式难以进行密封。根据机器人水下作业环境的要求,对机器人的密封结构和密封方式进行了分析和设计。通过对水下船体表面清刷机器人的静、动密封试验,以及机器人的实际应用结果表明水下船体表面清刷机器人静密封采用O形圈,动密封采用旋转格莱圈和优质毛毡,密封设计合理可用;在伺服电机输出轴上加轴套,既起到了联接的作用,又为密封创造了条件,较好地解决了电机输出轴轴向尺寸小导致的密封难的问题,是一种较好的动密封装置。     

基于分解压力原理的水下机器人主体密封结构设计

针对浅水域船体水下表面检测及清刷作业水下机器人的密封要求,设计一种水下机器人主体密封结构。该密封采用两级O形圈密封结构,基于分解压力的原理,密封面采用锯齿形接触面,以减小密封圈的变形。利用流体仿真软件分别分析不同槽深、槽数、槽形夹角对漏水率的影响,得到最优的密封结构参数。通过实验验证该密封结构能保证水下机器人内部组件不受漏水影响,可确保机器人在水下作业的稳定性。     

水下船体清刷机器人磁吸附机构的设计与研究

为了实现水下船体表面清刷机器人在水下船体表面上的可靠吸附和灵活移动功能,对机器人磁吸附机构进行了设计研究。根据该机器人作业的特点和工作环境,分析了磁路材料和磁路类型,研究了衔铁、轭铁、铜块和海水等因素对磁吸附力的影响,设计了机器人的磁吸附机构。实际应用表明,该机器人在船体表面上吸附可靠,并且运动灵活,符合实际的需要。     

水下机器人清刷机构的设计

提出了适应船体表面变化的清刷机构设计方案,分析了该机构的清刷原理及在水下工作的受力状况,建立了动力学模型,通过计算分析确定清刷机构的关键参数。建立了刷丝的运动轨迹方程并利用Pro／E软件进行运动仿真,理论分析和试验结果表明了该机构设计方案的可行性。     

基于可视化技术的核电站水下机器人地面站设计

针对当前水下机器人地面控制系统可视化程度低、操控不便的问题,基于可视化技术设计了一套水下机器人的岸上地面站系统。该系统可以控制水下机器人的半自主定航向和定深度航行,接受、储存、回放水下机器人拍摄的录像。采用编程技术实现三维动画空间,结合传感器回传数据控制三维动画显示,真实地反映真实世界中水下机器人的运动姿态、位置、运行状态。结合声纳成像信息、摄像机回传图像信息的综合显示,实现了微小型水下机器人的遥操作控制。     

水下机器人-机械手系统的动力学分析

随着我国海洋开发事业的发展,水下机器人操作手在水下勘探、水下采矿、海洋石油工程等领域发挥着越来越重要的作用。本文提出了一种运用指数积公式和凯恩方程对水下机器人机械手系统进行了动力学建模的新方法。采用该方法可以在同一个坐标体系中描叙系统的运动学,而且在建立动力学模型中可以避免大量的求导运算,并可以得到最少数目的微分方程。模型中考虑了海水的拖曳阻力、机器人与机械手之间的相互作用、推进器推力等因素。研究表明指数积-凯恩方法是一种建立水下机器人-机械手的一种有效方法。     

一种欠定位水下机器人的目标搜索研究

论述了一种在水底起伏较大情况下的欠定位水下机器人执行水底小目标搜索任务的策略。该策略主要基于作业区域的等深线地图对水下机器人进行路径规划,在搜索过程中应用水下机器人的航向、深度、离底高度等多传感器信息和等深线地图对欠定位水下机器人导航。初步应用声纳图像识别技术对水下特征物进行了识别。通过在漳河水库的重复实验,验证了该策略可有效运用到欠定位水下机器人的小目标搜索任务中。
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核电站多功能水下打捞机器人系统研究

在核电站中,存在辐照剂量高、结构环境复杂等问题,操作人员作业时不可避免地会受到核辐射照射,对操作人员生命安全带来极大威胁。针对上述问题,研制出作业于核环境下的核电站多功能水下打捞机器人。首先,对机器人进行运动学分析,分别求解出机械手的正逆运动学方程及奇异位形;在此基础上,考虑水阻力、附加质量力以及浮力的影响,建立了机器人的水动力学模型,对机器人复杂水下动力学问题进行描述;最后,根据理论分析研制出该机器人第3代工程样机,并通过核电站现场实验对该机器人进行实验验证。实验结果表明,核电站多功能水下打捞机器人能够快速准确的完成异物抓取作业,实现核环境下的水下异物搜索与异物打捞的设计目标。     

基于形态图的UVMS水下三维目标识别

水下机器人-机械手系统(UVMS)在对水下目标进行自主或半自主作业时,首要及关键的一步是进行目标识别.由于水下环境的特殊性,水下视距很小,光学成像具有噪声大、对比度差等特点;上述因素使得基于局部特征的目标识别对尺度、旋转、光线等变化的敏感度大大增加.借助立体视觉及航向传感器信息,利用水下三维目标的变尺度形态图方法可靠地实现了水下目标识别,并通过实验对该方法进行了验证.     

可重构磁耦合推进水下机器人设计与性能评估

为了经济高效地实现矢量推进,提高水下机器人的机动性能,设计了一种新型矢量推进水下机器人。该机器人采用两个可重构磁耦合推进器作为推进系统的主动力单元,每个推进器都具备两个自由度的矢量重构能力,相较于传统水下机器人,拥有更高的可操纵性和灵活性。本文通过建立推进系统模型,完成了机器人的运动规划,并利用测力实验装置,对机器人的动力性能进行了评估。在此基础上,对机器人进行了前进、偏航、上浮、下潜等多自由度的运动控制实验。实验结果表明,该机器人能够高效地实现多个自由度的运动,新型可重构磁耦合推进器能够稳定的提供矢量推力,验证了该设计方案的可行性。     

船舶清刷装置运动系统力学分析

对船舶清刷装置运动系统力学进行了分析。建立了船舶水下清洗设备沿船体表面上下运动时的力学模型,推导了清洗设备抗倾覆、下滑和下滚时的条件,计算了清洗设备正常沿船体上下工作时所需要的最小吸附力和驱动力矩。同时,在设备的后部安装两个弹簧支撑的万向轮,提高了清洗设备的运动性能。数值计算表明,该方案能减少最小吸附力和驱动力矩,达到抗倾的目的。     

水下机器人防倾覆控制系统研究

设计了一种水下机器人的防倾覆控制系统,主要由机体、控制室和螺旋翼三部分组成,螺旋翼由伺服电机驱动。姿态传感器用于采集水下机器人的运动信息,采用Arduino微控制器平台对伺服电机转速进行控制,通过螺旋翼的旋转做出左倾、右倾、平移等一系列的动作,实时调整机器人的姿态,保证水下机器人的平稳运行。实验结果表明:微控制器平台可以有效控制螺旋翼的转速变化,使得机器人能够做出左倾、右倾、平移等一系列动作,可以有效防止水下机器人运动过程中的倾覆。     

水下机器人的研发及其应用

针对国内水下输油、输气管道的检测需求,开发了一种水下机器人。该机器人由控制箱通过电缆控制机器人的运动,机器人本体搭载有高清水下摄像机、多波束前视声呐、各种传感器等设备,能够在流速不超过3节、水深不超过300米的水域对水下管道进行巡检,实际应用表明:该机器人动作灵活、操作方便,满足实际需求。     

水下机器人运动控制仿真研究

设计了一种水下机器人,它由防水基体、螺旋桨推进器和伺服电机组成。姿态传感器用于采集水下运动的姿态信息,通过单片机控制系统,采用PID算法调节螺旋桨推进器的角度,完成水下机器人的前进、后退、升降、转向等动作,采用Arduino微控制器平台对直流电机速度、伺服电机位置进行控制。仿真实验结果表明:该控制器可以有效地对直流电动机转速、伺服电机位置进行控制。     

水下越障机器人结构设计及越障特性分析

针对海底特殊地形地貌,结合水下机器人行走机构研究现状,设计出一种新型水下行走机器人,并对机器人进行越障性能数学分析.该机器人克服了原有水下机器人易倾覆、越障能力差等缺点,采用前向四杆引导机构做越障引导机构,结合并联伸缩底盘和尾部平衡机构,以及自适应地面的履带足,可以翻越较高台阶和攀爬较大坡度斜坡,大大提高了机器人的越障能力和对复杂地面的适应能力.     

警用水下机器人本体的设计

介绍了一种在水下进行刑事证物的探测识别、涉案水下现场搜索调查和水下证物打捞作业的警用水下机器人本体。机器人用两个主推进器和两个辅推进器实现其前后、浮潜和左右转弯运动,带有与控制相关的传感器和计算机以及水下探测设备,可实现水下机器人的自主定深航行,并具有对水下目标的光学探测和声纳探测能力。试验验证,该机器人能高效地完成作业使命任务,对水下机器人的设计有一定的借鉴参考价值。     

6自由度水下机器人动力学分析与运动控制

对6自由度水下机器人的动力学与运动控制进行研究。首先考虑重力、浮力、推力以及水动力的影响,建立水下机器人的动力学模型,对机器人的复杂水下动力学行为进行描述。在此基础上,根据解出加速度法设计非线性控制器,包括内外两个控制回路。其中外控制回路根据机器人实际轨迹与期望轨迹之间的偏差进行负反馈控制,内控制回路根据机器人动力学特性引入非线性补偿,把机器人转化为一个更易于控制的线性系统,从而准确实现对理论轨迹的跟踪。最后对水下机器人跟踪目标进行运动控制仿真。从仿真结果可以看出,利用该方法可以使水下机器人具有良好的轨迹跟踪能力。