为了降低航行阻力、减轻船板腐蚀，船体清洗作业是船舶日常维护工作的重要内容，目前主要通过人工或爬壁机器人完成。船体外壁面积较大，作业人员难以实现无死角作业。虽然爬壁机器人在一定程度上可提高作业效率，但是船体表面形状不规则限制了爬壁机器人的作业范围。因此，亟需研发一种新型高效的自动化清洗装备。

绳驱动并联机器人属于典型的并联机构机器人，具有工作空间大、运动惯性小及易重构等优点，广泛应用于物料运输、太空观测、飞机维护和墙壁清洗等作业场景。为了解决人工清洗作业效率低和风险高的问题，通过改进平面绳驱动并联机构，本团队提出了一种新型变结构空间绳驱动清洗机器人。

研究方法

围绕所提出的新型变结构空间绳驱动清洗机器人，建立了包含船舶运动和外部扰动的动力学模型，并通过流体仿真验证了水射流的喷射效果和运动平台所受的反作用力。其次，考虑了海风对清洗作业的影响，并利用风压投影法计算了风扰力，与水枪反作用力一起作为扰动输入。然后，提出了一种模糊自适应比例–积分滑模控制器，以实现动基座激励下的高精度轨迹跟踪控制，并使用Lyapunov理论证明了控制系统的稳定性。最后，通过仿真验证了该控制器的有效性。

成果简介

通过数值分析发现，在不同的作业场景下，模糊自适应比例–积分滑模控制器下的运动平台位置稳态误差维持在±0.02 m，角度稳态误差维持在±0.02°。与比例–积分滑模控制器和比例–积分–微分控制器相比，模糊自适应比例–积分滑模控制器的最大误差分别减少8%、6%，响应速度提升18%、57%，稳态性能提升2%、3%。上述结果表明，本团队所提出的控制策略在船舶运动下具备高精度、快响应性能，可为绳驱动机器人的实船应用提供理论支撑。

图文导读

图1 空间变结构清洗机器人系统组成

图2 清洗机器人的作业原理

图3 控制框图

图4 流体仿真

图5 平面工况下的轨迹误差对比

作者简介

王生海，大连海事大学副教授，硕士生导师。长期从事波浪补偿、吊装减摇控制、海上廊桥稳定控制等方面的研究工作，主持国家自然科学基金青年项目1项、国家军委装备发展部项目子课题1项、科技部国家重点研发计划项目子课题1项，获2022年中国商业联合会科技进步奖一等奖（排名2/15）、2022年大连海事大学优秀航海类青年教师奖、2021年大连市技术发明一等奖（排名2/10）、2021年中国航海学会科学技术奖二等奖（排名2/10）、2021年辽宁省造船工程学会青年科技论坛优秀论文一等奖、2018年中国航海学会科学技术奖二等奖（排名5/10），发表学术论文40余篇，授权国家发明专利14项。

个人主页：https://mec.dlmu.edu.cn/info/1115/2505.htm

李建，大连海事大学博士研究生（在读），主要从事绳驱动并联机器人动力学分析及控制策略研究。

文章信息

李建,王生海,刘将等.绳驱动船舱清洗机器人动力学建模及鲁棒控制[J/OL].清华大学学报(自然科学版):1-16[2023-08-07].https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.036.

期刊介绍

《清华大学学报（自然科学版）》创刊于1915年，已有百年历史，是中国最早同时以大学校名和“学报”冠名的期刊。《清华大学学报（自然科学版）》现由清华大学出版社出版，月刊。作为名副其实的“老字号”期刊，众多学术权威的力作与莘莘学子的处女作在其上交相辉映，使之成为清华大学自强不息、厚德载物的科学精神的见证。

《清华大学学报（自然科学版）》被多家国际性文献检索机构如Ei、CA、MR、РЖ、INSPEC、Zbl等及国内多家全国性文献检索机构如中文核心期刊要目总览、CSCD、CNKI 等收录。1999、2003年荣获第一、二届国家期刊奖，2005年荣获第三届国家期刊奖提名奖，2010、2013年荣获第二、三届中国出版政府奖期刊奖提名奖，2009年被评为“新中国60年有影响力的期刊”，2013、2015、2017年荣获全国百强科技期刊。