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研究生:莊文鴻
研究生(外文):Wen-hung Chuang
論文名稱:微小型水下清潔機器人之研發
論文名稱(外文):The Research and Development of Meso-scale Underwater Cleaning Robot
指導教授:鄭逸琳
指導教授(外文):Yih-lin Cheng
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:199
中文關鍵詞:微小型水下清潔機器人壁面吸附電路模組流場模擬
外文關鍵詞:meso-scale underwater cleaning robotwall attachingcircuit moduleflow field simulation
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目前的水下清潔工作,如水下展場的玻璃帷幕或是大型魚缸,多以人工方式進行清潔,並無可操控之水下清潔機器人。而船體表面除鏽,雖有機器人以磁力吸附進行清潔,但其設備體積及重量龐大,且磁力吸附方式無法使用於非金屬材料表面。因此,極需適當的微小型水下清潔機器人滿足水下玻璃帷幕或魚缸之清潔需求。
本研究所設計製作開發出之微小型水下清潔機器人原型,其尺寸大小為186×186×123 mm,具有推進器、吸附裝置、清潔單元、電路及控制模組。所設計之吸附裝置,運用螺槳的推力來吸附於玻璃表面,除可穩固地吸附於玻璃表面特定位置,讓清潔單元進行清潔工作外,並可將此裝置作為微小型水下清潔機器人在水中運動的推進器,具有兩全其美的效用。所需的3D螺槳採用NACA4412葉形,作為推進及吸附之用,螺旋槳與機器人的外型均使用CFD軟體模擬。搭配所規劃設計製作之馬達控制電路模組、馬達驅動電路模組,與完整的單晶片控制程式,可操控微小型水下清潔機器人具有十一種作動模式(前進、後退、原處左轉、原處右轉、左前迴轉、右前迴轉、左後繞迴轉、右後繞迴轉、下降、上升、翻轉吸附)及清潔壁面之功能。
本研究所研製之微小型水下清潔機器人,初期可用於常見之室內中大型魚缸與水族展覽中心之玻璃帷幕,未來進一步朝智慧型機器人研發後,更可廣泛地應用於各類水下清潔。所設計之吸附裝置,除目前之推進功能外,未來更可以整合於其他具吸附需求的機器人中。
Nowadays the underwater cleaning of the exhibition glass walls in aquariums or large fish tanks is mainly done by manual work. There is no maneuverable underwater cleaning robot for this purpose. Although there exits robots for ship rust removal by magnetic attachment, their volume and weight are too huge and they are not able to attach to non-metallic surfaces such as glass. Therefore, there is a need for meso-scale underwater cleaning robots.
This research developed a meso-scale underwater cleaning robot prototype with dimensions of 186 mm*186 mm*123 mm. It contained propulsion units, attachment device, cleaning module, and control circuits. The design of the attachment device utilized the thrust of propellers for attachment. These propellers are not only for attachment purpose during cleaning, but also part of propulsion units for maneuvering. The 3D propeller was based on NACA4412 airfoil. CFD softwares were used to simulate the propeller and the shape of robot. Integrated with motor control circuits and program of single chips, the robot can maneuver for 11 movements (moving forward /backward, turning left/right, left/right forward rotation, left/right backward rotation, moving up/down, and rotation to attachment) and clean the target surface.
The preliminary applications of meso-scale underwater cleaning robot are expected to clean indoor middle/large scale fish tanks and the exhibition glass walls in aquariums. In the future, developing toward intelligent robots, they can be widely used in all sorts of underwater cleaning. Moreover, the attachment device designed in this research is applicable to other robots requiring attachment function.
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XIV
第一章 緒論
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 研究目的 3
1.4 研究方法 4
1.5 論文架構 5
第二章 文獻探討
2.1 水下載具之發展現況 7
2.2 本實驗室水下載具之研究近況 15
2.3 市售清潔產品 18
第三章 吸附及清潔單元與系統規劃
3.1 壁面吸附方式 21
3.2 吸附裝置單元 26
3.3 清潔單元材料 28
3.4 系統規劃 32
3.5 遙控桿與機器人之作動對應規劃 34
第四章 馬達操控及驅動模組之電路設計與製作
4.1 直流馬達驅動 44
4.1.1 直流馬達之選用 44
4.1.2 直流馬達正反轉驅動型式 45
4.1.3 馬達轉速PWM控制 48
4.2 選用之單晶片介紹 50
4.2.1 ADC0804LCN 51
4.2.2 AT89C2051 53
4.2.3 ATmega8515 55
4.2.4 AT90S2313 59
4.2.5 ATmega8535 61
4.3 單晶片燒錄製作 65
4.4 電路系統規劃 68
4.4.1 控制電路 68
4.4.2 馬達驅動電路 74
4.4.3 單晶片程式設計 75
4.5 電路模組製作 77
4.6 整體電路模組系統 82
4.6.1 控制模組及馬達驅動模組系統 82
4.6.2 新控制模組 85
4.6.3 電源 88
4.6.4 PWM輸出訊號波形檢測 90
第五章 整體設計與流場模擬
5.1 殼體與組件之建構與設計 91
5.2 螺旋槳 94
5.2.1 螺旋槳之設計 94
5.2.2 螺旋槳之建構 96
5.2.3 螺旋槳之流場模擬 99
5.3 殼體組裝設計 106
5.4 外型流場模擬 111
5.4.1 STAR-CD軟體介紹 111
5.4.2 模擬網格之建立 112
5.4.3 計算及邊界條件設定 113
5.4.4 流場模擬 115
第六章 原型製作組裝與水下實驗
6.1 OBJET EDEN 330快速原型系統 120
6.2 原型製作過程 125
6.3 快速原型件成品 128
6.4 馬達電路與原型件各殼體之組裝 131
6.5 水下實驗與測試 140
6.5.1 浮力與配重 140
6.5.2 推力實驗 145
6.5.3 作動性能測試 148
第七章 結論與未來方向
7.1 結論 163
7.2 未來方向 165
參考文獻 167
附錄-外型模擬流場向量圖 170
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