水下焊接机器人内载多关节机械臂设计与分析

论文摘要

随着核能的发展,核电站的建设,核泄漏等安全事故越来越受到人们的关注与重视。其中,乏燃料池和换料水池泄漏是典型的核电事故。而传统人工检修方式耗时耗力,所以研发一款用于水下检修的机器人具有重要意义。本课题结合项目实际需求,研发一款搭载于框架式水下ROV的轻型多自由度焊接机械臂。首先分析了水下焊接工艺、搭载空间和作业空间,确定了机械臂的五自由度构型以及臂杆尺寸参数。采用泛塞封作为电机输出轴处的动密封,采用铝合金作为机械臂主体材料,并考虑流固耦合影响,完成了电机的选型和整体结构的设计。利用ANSYS完成了机械臂关键部件的拓扑优化设计,在保证构件强度与刚度的基础上,达到减轻质量的目的,并在SolidWorks中完成了机械臂的三维建模。其次,基于D-H方法,完成了机械臂运动学的建模与仿真,为运动控制部分奠定了基础。完成了对水下焊接机械臂的误差建模与分析,合理分配关节加工制造精度,并采用多关节补偿法对拟定误差进行修正。完成了机械臂空间焊接轨迹的理论推导,为实验部分提供了理论依据。然后,基于拉格朗日法完成了动力学方程建模,基于默尔森法完成了水动力分析,通过adams仿真对比了地面和水下这两种情况下的控制力矩,验证设计的合理性以及可靠性,并分析了机械臂各个关节在运动时对ROV本体的影响。最后,完成关节水密性试验,搭建水下焊接机械臂的试验平台,完成单关节控制试验以及轨迹跟踪试验,验证本课题设计的水下焊接机械臂的合理性和可靠性。通过ATI六轴力传感器对机械臂在水下运动的数据进行采集,验证了水动力模型的准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题来源及研究的目的和意义
•     1.1.1 课题来源
•     1.1.2 研究目的和意义
•   1.2 国内外研究现状与分析
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 国内外文献解析
•   1.4 课题主要研究内容
• 第2章 水下焊接机械臂机械系统设计
•   2.1 引言
•   2.2 水下焊接工艺需求分析
•   2.3 焊接机械臂构型与尺度参数设计
•     2.3.1 焊接机械臂构型设计
•     2.3.2 焊接机械臂尺度参数设计
•   2.4 焊接机械臂机构设计
•     2.4.1 焊接机械臂关节电机选型
•     2.4.2 焊接机械臂关节电机密封方式的选择及密封罩设计
•     2.4.3 焊接机械臂杆件设计与优化分析
•   2.5 本章小结
• 第3章 水下机械臂运动学建模与误差分析及轨迹规划
•   3.1 引言
•   3.2 水下焊接机械臂运动学方程
•     3.2.1 水下焊接机械臂正运动学方程
•     3.2.2 水下焊接机械臂逆运动学分析
•   3.3 水下焊接机械臂误差建模与分析
•     3.3.1 水下焊接机械臂误差建模
•     3.3.2 水下焊接机械臂误差补偿
•   3.4 水下焊接机械臂轨迹规划
•   3.5 本章小结
• 第4章 水下机械臂动力学建模及仿真
•   4.1 引言
•   4.2 水下焊接机械臂拉格朗日方程建模
•   4.3 水下焊接机械臂水动力分析
•   4.4 本章小结
• 第5章 水下焊接机械臂实验研究
•   5.1 引言
•   5.2 水下机械臂关节水密试验
•   5.3 水下机械臂控制系统简介
•   5.4 水下机械臂运动控制试验
•     5.4.1 机械臂关节运动控制试验
•     5.4.2 机械臂水下轨迹跟踪试验
•     5.4.3 机械臂运动对基座扰动实验
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 邹晨洋

导师: 陶建国

关键词: 水下焊接机械臂,结构设计,运动学建模,动力学分析

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,自动化技术

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家重点基础研究计划(973计划)“核电站救灾任务灵巧作业”(2013CB035502),国家自然科学基金项目:核电站水池水下机器人设计及其运动控制研究(项目编号:61673138)

分类号: TP242;P755.1

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.004872

总页数: 80

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