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研究生:李榮哲
研究生(外文):JUNG-CHE LEE
論文名稱:具側壁清潔功能之微小型水下機器人開發
論文名稱(外文):Development of Small-scale Underwater Robot With Sidewall Cleaning Function
指導教授:鄭逸琳
指導教授(外文):Yih-Lin Cheng
口試委員:鄭逸琳
口試日期:2012-07-02
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:116
中文關鍵詞:快速原型應變計壁面清潔機器人感測器
外文關鍵詞:Rapid Prototypingstrain gaugeUnderwaterRobotWall attach
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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中大型魚缸,多以人工方式進行清潔,並無適當之微小型水下清潔機器人滿足清潔需求。因此,本研究擬設計並製作具自動清潔側壁功能之微小型水下清潔機器人原型。設計的概念,採用創新且簡單的三角形架構與系統整合,搭配簡易的操控模式與路徑規畫,達到預定清潔之功能。
本研究設計水下清潔機器人各側邊中分別安置兩組推進器,以雙馬達驅動正逆螺旋槳來抵銷單一螺旋槳所產生之力矩。此外推進模組能夠藉由伺服機轉動某角度,帶動水下清潔機器人之升降運動。此設計概念取代以往將Z軸推進器設計在底部,因此在腔體中能夠容納更多的電路驅動模組,以及往後底部運用的空間。在自動清潔過程中,將兩片應變計貼附於PI材料上下表面,並安置於水下清潔機器人三角外型各頂點處,做為角落處感測訊號來源。至於清潔模組主要將清潔墊設計為大面積並同時考量角落處清潔方式,除此之外可以利用清潔模組中的空心圓柱進行水下配重,使水下清潔機器人達到中性平衡狀態。水下機器人之外殼、零件以及模具,藉由快速原型技術來製作,整體的尺寸為250mm×220mm×80mm。最後將所有零件組裝並進行水下實測,測試結果顯示,水下清潔機器人不僅能在手動控制模式下清潔側壁,更可依照預定的路徑自動清潔
Nowadays the underwater cleaning of the exhibition glass walls in aquariums or large fish tanks is mainly done by manual work. There is no suitable small-scale underwater cleaning robot for this purpose. Therefore, this research plans to design and manufacture a prototype of a small-scale underwater cleaning robot with automatic side-wall cleaning function. The design concept of the robot adopts innovative and simple triangular structure and system integration. With simple control and path planning, side-wall cleaning can be achieved.
In this research, in order to balance the torque generated by the propeller at each side, two propellers at each side rotating clockwise and counter-clockwise were adopted in the design. Moreover, the propeller sets could be rotated upward or downward to certain angles from the horizontal plane to drive the robot moving up or down. This design replaced the propeller in the center of the robot for Z-axis movement, leaving more space inside the robot for circuits and other modules. To detect the corner during the automatic cleaning, the polyimide corner sensors, each equipped with two strain gauges, were attached at the vertices of the triangular robot. As for cleaning module, the shape of the cleaning pads was designed to cover larger area and also to consider cleaning needs at corners. In addition, the empty column space in the cleaning modules can be used for weight balancing. Rapid prototyping techniques were utilized to generate parts and molds for the robot prototype. The overall size of the robot is 250mm×220mm×80mm. The robot prototype was assembled and underwater tested. The test results showed that the robot can perform not only side-wall cleaning by manual control, but also automatic cleaning in accordance with a predetermined path.
摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
表目錄 XVI
符號說明 XVIII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 研究方法 3
1.4 論文架構 5
第二章 文獻探討 6
2.1 水下載具之發展現況 6
2.1.1 哈爾濱工程大學, 水下船體表面清刷機器人 6
2.1.2 Kraken 7
2.1.1.2 微小型水下自動機器人 8
2.1.4 SQX-1 9
2.1.5 手臂功能清潔之水下機器人 9
2.1.6 魚雷型自主式水下載具 10
2.1.7 2010年林永澤-創新型水下機器人之研發 11
2.2 快速原型 11
2.2.1 OBJET 13
2.2.2 SDM(Shape Deposition Manufacturing) 14
2.2.3 快速模具 17
2.3 微處理器 18
2.3.1 PIC 16F877介紹 19
2.3.2 MPLAB開發環境介紹 21
2.3.3 MPLAB ICD2簡介 22
第三章 水下機器人運動模式與感測器介紹 23
3.1 推進器所造成的力及力矩 23
3.1.1 文獻【24】之水下清潔機器人運動分析 23
3.1.1.2 橫向及轉向運動推進器之力矩 25
3.1.2 本研究之水下清潔機器人運動分析 28
3.1.2.1 推進器Z軸升降之力及力矩分析 30
3.1.2.2 橫向清潔移動及轉向推進器之力與力矩 32
3.2 水下機器人清潔路徑規劃 36
3.3 感測器介紹 38
3.3.1 何謂應變計 38
3.3.2 電阻應變計原理 39
3.3.3 惠斯登電橋之原理 42
3.3.4 PI(Polyimide)受力變形之分析 45
第四章 水下機器人外型架構與控制系統 50
4.1 水下機器人外型設計 50
4.2 推進模組設計 53
4.3 清潔模組設計 56
4.4 控制系統架構 61
4.4.1 系統核心控制與架構 61
4.4.2 控制核心模組 62
4.5 感測器控制模組 64
4.5.1 感測器電路規劃 64
4.5.2 應變計介紹與製作 67
4.5.3 應變計防水封裝 70
4.6 直流馬達驅動模組 72
4.6.1 直流馬達選用 72
4.6.2 直流馬達驅動器 73
4.7 伺服機驅動模組 76
4.7.1 伺服機選用與電路製作 76
4.8 螺旋槳選用及推力測試 78
4.9 水下機器人零件製作與系統組裝 86
4.9.1 水下機器人外型組裝 88
4.9.2 推進模組組裝 89
4.9.3 清潔模組製作與組裝 92
4.10 水下機器人整體組裝 94
第五章 水下實驗與討論 96
5.1 水下機器人推力測試 96
5.2 自動循環路徑測試 97
5.3 手動模式清潔 102
5.3 水下測試總結 104
第六章 結論與未來研究方向 107
6.1 結論 107
6.2 未來方向 108
參考文獻 110
附錄一 FAULHABER 0615_S_MIN規格表 115
附錄二 FAULHABER 0816_S_MIN規格表 116
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