【摘要】：導管架平臺是一種大型的海上鋼結(jié)構(gòu)框架,是現(xiàn)代海洋石油開采的重要裝備。而在平臺工作期間,導管架平臺樁基會由于大量海洋生物長時間的附著造成嚴重腐蝕,進而危害平臺安全。目前針對導管架平臺附著生物的清洗主要有人工清洗和機器清洗兩種方式。鑒于機器清洗具有安全高效等優(yōu)點,本文設計了一套用于導管架平臺清洗的水下機器人—機械臂系統(tǒng)(Underwater Vehicle Manipulator System,簡稱 UVMS),創(chuàng)新性地采用雙抱臂系統(tǒng)代替常見的吸附式定位系統(tǒng),從而提高系統(tǒng)的可靠性。本文針對該UVMS系統(tǒng),在考慮機械臂水動力特性前提下,分別建立了作業(yè)機械臂的運動學模型和動力學模型,在對作業(yè)機械臂的高壓噴嘴的工作姿態(tài)優(yōu)化基礎上,建立了基于蟻群算法的機械臂的工作路徑優(yōu)化方法,從而提高水下清污機器人的工作效率。首先,根據(jù)工作對象的尺寸設計了一個合適的作業(yè)臂,對機械臂的運動學問題,采用Denavit-Hanenber法建模,推導出運動學的正解和逆解,再使用蒙特卡洛法確定機械臂的工作區(qū)間,并在Matlab工具箱中驗證機械臂運動解的正確性,完成指定的運動路徑規(guī)劃仿真。然后,針對機械臂的動力學問題,基于拉格朗日法和雅可比矩陣理論,在Matlab/SimScape中建立了機械臂的動力學仿真模型,通過添加質(zhì)量、慣性矩等參數(shù)信息,完成預定的軌跡運動,得到各關節(jié)所需力矩的大小,為后續(xù)驅(qū)動液壓油缸的選型提供參考依據(jù)。此外,為了得到機械臂末端工作水槍清洗的最佳姿態(tài),介紹了高壓水射流的相關理論,重點探討水射流的射流參數(shù)和清洗機理。在理論的基礎上利用Fluent軟件對高壓水射流流場進行仿真分析,得到靶面打擊應力和剪切應力分布,確定了水射流的最佳靶距和入射角度。最后,針對本課題水下機器人的具體作業(yè)需求,提出了一種以能量和時間最優(yōu)不同優(yōu)化目標,通過蟻群算法最為優(yōu)化方法的路徑優(yōu)化算法,提高機械臂的工作效率。計算結(jié)果表明,相比傳統(tǒng)掃描式的工作路徑,上述兩種優(yōu)化算法均能大幅度提升水下機械臂的工作效率,降低能量損耗,為以后實際工程應用中機械臂的工作路徑設定提供合理的依據(jù)。
【圖文】：

圖 1-5 沈陽自動化研究所二自由度機械臂圖 1-6 華中科技大學三自由度機械臂人研究現(xiàn)狀下鋼結(jié)構(gòu)的清洗，國內(nèi)早在 20 世紀 80 年代的技術水平，最初的工作方式主要是潛水7）。這種清洗方式的清洗效率低，連續(xù)作PDF編

圖 1-6 華中科技大學三自由度機械臂人研究現(xiàn)狀下鋼結(jié)構(gòu)的清洗，，國內(nèi)早在 20 世紀 80 年代就時的技術水平，最初的工作方式主要是潛水員-7）。這種清洗方式的清洗效率低，連續(xù)作業(yè)水射流的理論和技術的發(fā)展，高壓水射流成為還是依靠人工水下作業(yè)[14]。高壓水射流的作時潛水員需要手持噴槍清洗目標，巨大的水威脅。再者對于深海環(huán)境下的結(jié)構(gòu)物，水下大挑戰(zhàn)，人工作業(yè)更加難以實現(xiàn)。PDF
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TE95

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本文編號：2678165