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研究生: 陳仲哲
Chung-che Chen
論文名稱: 具底部清潔功能之水下機器人開發
Development of Underwater Robot with Bottom Cleaning Function
指導教授: 鄭逸琳
Yih-Lin Cheng
口試委員: 郭重顯
Chung-Hsien Kuo
郭振華
none
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: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 142
中文關鍵詞: 水下清潔機器人積層製造三輪移動系統
外文關鍵詞: Underwater Cleaning Robot, Additive Manufacturing, Three Wheels Moving System
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  • 目前具有實用性的服務型機器人已大舉投入消費市場,但其中具有水下清潔功能的卻很少,本研究擬設計並製作具自動清潔水缸底部功能之水下機器人,希望能應用於中大型魚缸,取代目前以人工為主的水下清潔動作。機器人設計上採創新型三角外形架構,並發展出專屬的移動與清潔機制,搭配控制系統達到自動清潔之功能。
    本研究機器人可分為本體框架、移動模組、清潔模組與控制模組四個主要模組。利用位於本體框架三個角落的移動模組上的輪子,結合直線前進後退、原地轉向、頂點定點轉向三種基本的運動方式,機器人發展出14種運動模式。並藉由這些運動模式的組合與碰壁感測器的使用,規劃出機器人「弓」字形的自動清潔路徑。機器人採定點式清潔的方法,首先停在清潔區域並從清潔模組上噴出水柱將沉積於水缸底部的廢棄物翻起,接著將廢棄物連同汙水一起吸走。清潔完畢後,關閉清潔模組並待清潔區域環境趨於穩定,最後移動至下一清潔區域。
    機器人原型是利用3D電腦輔助設計/製造軟體來繪製並處理機器人的各項零件,再藉由積層製造技術來製作並組裝。機器人整體尺寸為285mm×270mm×150mm。最後將所有零件組裝並進行水下實測,測試結果顯示,水下清潔機器人能依預設路徑移動並自動清潔水缸底部。


    There are many practical service robots in consumer markets nowadays, but few are available for underwater cleaning. This research plans to develop an underwater robot with bottom cleaning function, which could replace the existing manual works. The robot had an innovative triangular structure, equipped with exclusive cleaning and moving mechanisms. With the integration of control system, the robot could automatically clean the bottom of the water tank.
    Underwater robot in this research could be divided into four main modules— main frame, moving module, cleaning module, and control module. The moving module located at the three vertices of the triangle structure with rotatable wheels. Combining the three basic moving types, forward/backward moving, spot-turning, and vertex-turning, fourteen maneuver modes can be achieved. The zigzag cleaning path was designed based on these moving modes. The robot would move to the position and stop first before performing the cleaning job. The cleaning module jetted water to disturb and lift up the wastes on the tank bottom, and then the polluted water was extracted. After the covered area was cleaned, the robot would stop the cleaning module and stay for seconds to stabilize the environment before moving to the next position.
    The robot components were designed by 3D CAD/CAM software, and manufactured by additive manufacturing technologies for prototype assembly. The overall size of the robot was 285mm×270mm×150mm. The underwater test results showed that the robot could successfully move on the expected paths and clean the bottom of the water tank.

    摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 IX 表目錄 XV 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 4 1.4 論文架構 5 第二章 文獻探討 7 2.1 水下機器人發展現況 7 2.1.1 SQX-1 7 2.1.2 MASUV-1 8 2.1.3 微小型水下機器人 8 2.1.4 合成噴流推進系統 9 2.1.5 Kraken 10 2.1.6 ABISMO 11 2.1.7 Robo-Fisher 12 2.1.8 市售清潔機器人 13 2.2 本實驗室歷年水下機器人之研究 14 2.2.1 水下機器人 14 2.2.2 水下清潔機器人 15 2.2.3 三角外型側壁清潔機器人 16 2.3 積層製造技術(ADDITIVE MANUFACTURING,AM) 17 2.3.1 PolyJet技術 18 2.3.2 快速模具 19 2.3.3 SDM製程 20 第三章 機器人整體架構 22 3.1 機器人清潔機制 22 3.1.1 定點式清潔 22 3.1.2 翻沙裝置 23 3.1.3 抽取裝置 24 3.2 機器人模組化 25 3.2.1 模組化 25 3.2.2 機器人模組化設計 26 3.3 機器人移動機制 27 3.3.1 移動模組 28 3.3.2 機器人直線前進後退 29 3.3.3 機器人轉向 30 3.3.4 三輪與四輪轉向系統比較 33 3.3.5 運動模式規畫 34 3.4 自動清潔路徑規畫 38 3.4.1 直線清潔 38 3.4.2 轉向 39 3.4.3 程式結束 40 3.5 感測器 41 3.6 防水策略 42 3.7 力學分析 43 第四章 機器人控制系統之規劃 47 4.1 控制系統架構 47 4.2 ARDUINO MEGA 2560控制器 48 4.2.1 Arduino簡介 48 4.2.2 Arduino硬體介紹 48 4.2.3 ATmega2560 50 4.2.4 Arduino開發環境 51 4.3 直流馬達 52 4.3.1 直流馬達之選用 52 4.3.2 直流馬達轉速與轉向控制 53 4.3.3 L293D馬達控制晶片 55 4.4 伺服馬達 57 4.4.1 伺服馬達之選用 57 4.4.2 伺服馬達控制 58 4.5 抽水馬達與沉水馬達 59 4.5.1 抽水馬達與沉水馬達選擇 59 4.5.2 抽水馬達與沉水馬達控制 60 4.6 控制程式 61 4.6.1 手動模式 61 4.6.2 自動模式 62 第五章 機器人外型與機構設計 65 5.1 機器人外型設計 65 5.2 移動模組設計 67 5.2.1 移動模組內側 67 5.2.2 移動模組外側 74 5.3 本體框架設計 79 5.4 清潔模組設計 83 5.5 控制模組防水設計 85 5.6 機器人組裝規劃 87 第六章 機器人製作、組裝與測試 91 6.1 製程設備與原料介紹 91 6.1.1 Objet機台搭配RT製程 91 6.1.2 SDM製程 94 6.2 機器人零件製作方法 100 6.2.1 RT直接造模法 100 6.2.2 RT間接造模法 105 6.2.3 SDM製程 107 6.2.4 SDM快速夾具 116 6.3 機器人零件製作與組裝 117 6.3.1 零件加工方式之選擇 117 6.3.2 機器人零件組裝 120 6.3.3 人機介面 123 6.3.4 機器人規格 124 6.4 機器人測試 125 6.4.1 零件測試 125 6.4.2 整體測試 127 6.4.3 測試總結 134 第七章 結論與未來發展 136 7.1 結論 136 7.2 未來方向 137 參考文獻 139

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    無法下載圖示 全文公開日期 2018/07/10 (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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