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研究生: 鄭友昇
YOU-SHENG CHENG
論文名稱: 小型水下清潔機器人之改良
Improvement of Small Underwater Cleaning Robot
指導教授: 鄭逸琳
Yih-Lin Cheng
口試委員: 林紀穎
Chi-Ying Lin
羅光閔
Luo, Guang-Min
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 175
中文關鍵詞: 快速原型SDM水下清潔機器人壁面吸附
外文關鍵詞: Rapid Prototyping, SDM, Underwater, Robot, Wall attach
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在最近幾年來,水下清潔機器人的發展相較於應用在陸地上者仍然是較少的。而現階段的水下清潔機器人主要專注於大範圍的水下區域且體積較大,較不適合應用於某些小區域的清潔,像是家用清潔或是魚缸、水族箱等。因此本研究致力於縮小水下清潔機器人之體積,並提升操控性,使其能應付更多場合的水下清潔。
本研究之小型水下清潔機器人共有兩種設計,兩者間之差異主要為移動方式,一種為利用車輪移動另一種則使用螺旋槳。兩者之壁面清潔方式皆是藉由吸附裝置使機器人吸附於清潔壁面,再以清潔裝置擦拭壁面髒汙以達到清潔效果。螺旋槳採用之剖面為NACA4412葉形,並搭配馬達做水下實測以得到適合該馬達之設計參數。在控制方面,兩者皆以相同之微處理器為核心,但設計一以三種感測器來輔助控制,設計二則有手動與預設路徑兩種模式切換。在構造上,設計一採緊湊式設計,將吸附、移動、清潔與控制整合成一體,設計二則分別把設計一的四個主要部分模組化,以方便維修或更換。機器人之原型乃是以3D電腦輔助設計軟體繪製機器人之外殼、零件以及模具,再藉由快速原型系統製作,其中若需要較佳機械性質之元件則使用SDM製程製作,最後將所有零件組裝並進行水下實測。測試之結果,設計一的輪軸部分會有滲水之情況,因而影響機器人的平衡並且產生一些控制上的問題。設計二則擁有158x143x87 mm的小體積,使其在手動清潔時,在清潔效率與靈敏度都有不錯之效果。


In the recent years, the developments of underwater cleaning robots are less than those working on land. The existing underwater cleaning robots are mainly focused on wide-range cleaning with large sizes, which are not suitable for certain small-region cleanings such as household and aquarium fish tanks. Therefore, this study attempted to reduce the volume of underwater cleaning robot and to improve its maneuverability in order to meet more underwater cleaning demands.
There are two designs in this study. The main difference between the two is the method for moving—one using wheels, and the other using propellers. Both designs utilized rotors as the attachment device to attach the robot to the wall and started to wipe the wall by cleaning devices. The section of the propellers used was based on NACA4412 shape, and the proper design parameters were obtained after underwater tests with motors. The Design 1 applied three types of sensors to assist robot controls, while the Design 2 implemented two control modes, manual or preset-path, for switching. As for the structure, the Design 1 adopted compact design to integrate attachment, moving, cleaning and control units in a whole. However, the Design 2 modularized above units for easier repair or replacement. The 3D CAD software was used to design robot’s outer shell, components, and the required molds. Rapid prototyping techniques were utilized to generate parts and molds for robot prototypes. Finally, the robot prototypes were assembled and underwater tested. The results showed that the Design 1 with leaking problem at the wheel axles resulted in unbalance of the robot and introduced control issues. On the other hand, the Design 2, with the small size of 158x143x87 mm, could achieve cleaning efficiency and agileness in the manual mode

摘要 III Abstract IV 誌謝 V 目錄 VI 圖目錄 X 表目錄 XVIII 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機與目的 1 1.3 研究方法 3 1.4 論文架構 5 第二章 文獻探討 6 2.1 水下機器人發展現況 6 2.1.1 WHOI, Nereus 6 2.1.2 National Oceanography Centre, Autosub 6000 8 2.1.3 FESTO, AquaJelly 9 2.1.4 Osaka Aquarium Kaiyukan, Robo.Fisher 10 2.1.5 哈爾濱工程大學, 水下船體表面清刷機器人 11 2.2 常見水缸清潔方式 13 2.2.1 化學藥劑 13 2.2.2 生物清除 14 2.2.3 物理清除 15 2.3 快速原型 16 2.3.1 OBJET 17 2.3.2 SDM(Shape Deposition Manufacturing) 19 2.4 微處理器 21 2.4.1 PIC 16F877介紹 22 2.4.2 MPLAB開發環境介紹 24 2.4.3 MPLAB ICD2簡介 25 第三章 設計一 26 3.1 機構與外型設計 26 3.1.1 移動與轉向 27 3.1.2 吸附裝置 32 3.1.2.1 螺旋槳設計 35 3.1.2.2 螺旋槳建構 37 3.1.3 清潔裝置 39 3.1.4 感測器 41 3.1.4.1 觸碰感測 42 3.1.4.2 方向感測 42 3.1.4.3 環境感測 44 3.1.5 其他設計細節 47 3.2 設計一控制系統 53 3.2.1 系統一架構與核心 53 3.2.1.1 設計一核心模組 53 3.2.1.2 設計一控制流程 55 3.2.1.3 特定區域清潔 58 3.2.2 步進馬達 59 3.2.3 步進馬達驅動器 62 3.2.4 無刷馬達 66 3.2.5 電源 66 3.2.6 電路封裝 69 3.3 設計一零件RP成品 70 3.4 輪胎製作 70 3.5 防水塞蓋製作 72 3.6 設計一組裝 73 3.7 設計一水下測試 80 3.8 設計一總結 84 第四章 設計二 86 4.1 上蓋 87 4.2 行星齒輪組減速機之設計 88 4.3 吸附模組 95 4.4 推進模組 100 4.5 清潔模組 105 4.6 設計二控制系統 111 4.6.1 系統二核心與架構 111 4.6.1.1 設計二核心模組 111 4.6.1.2 設計二控制流程 113 4.6.2 直流馬達 114 4.6.3 直流馬達驅動器 118 4.7 行星齒輪組減速機製作 122 4.7.1 行星齒輪複製 122 4.7.2 環齒輪複製 124 4.7.3 上行星架與下行星架製作 125 4.8 設計二零件成品 126 4.9 設計二組裝 130 4.9.1 吸附模組組合 130 4.9.2 推進模組組合 131 4.9.3 清潔模組組合 133 4.9.4 各模組結合 135 4.10 設計二水下測試 137 4.11 設計二總結 145 第五章 結論與未來研究方向 147 5.1 結論 147 5.2 未來工作與展望 148 參考文獻 149 附錄一 FAULHABER AM2224規格表 152 附錄二 FAULHABER 1525規格表 154 附錄三 Casting Resin資料表 155

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無法下載圖示 全文公開日期 2015/06/28 (校內網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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