□ 金碧霞 □ 熊傳志

中國船舶重工集團 第七一〇研究所 湖北宜昌 443003

隨著水下機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴寬，水下機器人技術(shù)也成為研究熱點，目前水下機器人已成為水下觀測和水下作業(yè)最有效的裝備［1］。某觀測用水下機器人由艏部半球形迎流段、舯部圓柱形平行段、艉部圓錐形去流段組成流線型外形，從而可減小水流阻力，降低能耗。其艏部裝載有照明燈、攝像機、聲納等觀測設(shè)備，可用于查找江、河、湖、海的各種堤壩的裂縫、破損等質(zhì)量問題，還可用于觀測水底地形、地貌或搜尋水下沉物。為最大視角地對目標(biāo)進行觀察識別，艏部裝有一套俯仰機構(gòu)，觀測設(shè)備可在俯仰機構(gòu)電機的驅(qū)動下，在-90～45°較大范圍的縱截面（垂直面）角度內(nèi)進行俯仰動作。

1 存在問題

機器人艏部最初的設(shè)計采用了如圖1所示的整體式結(jié)構(gòu)，即艏部殼體為一個開有窗口的耐壓殼體，照明燈、攝像機、俯仰機構(gòu)安裝在球殼內(nèi)部，聲納安裝在殼體底部的一個平臺上，通過水密接插件和水密電纜實現(xiàn)電氣連接。球殼左右兩側(cè)各有一個平臺，通過連接桿實現(xiàn)與舯部的機械連接，同時電纜從連接桿的空心管中穿過到達舯部，實現(xiàn)與舯部的電氣連接。

為保證機器人水下作業(yè)的安全性，在殼體內(nèi)部安裝了自行研制的漏水安全監(jiān)測器，在殼體最下方鋪設(shè)金屬導(dǎo)線探針，若艙內(nèi)漏水達到了一定程度，探針短路，會向控制軟件發(fā)出漏水報警信號，以便進行應(yīng)急處理。照明燈玻璃、攝像機玻璃與球窗采用O型圈徑向密封，孔用彈性擋圈止位。俯仰機構(gòu)傳動原理如圖2所示，固定齒輪作為太陽輪，旋轉(zhuǎn)小輪作為行星輪，固定旋轉(zhuǎn)板作為行星架組成行星輪系。固定旋轉(zhuǎn)板一端與艏部筒體固定，另一端通過軸承支承在支撐軸上。將電機減速器固定安裝在固定旋轉(zhuǎn)板上，在電機及減速器的驅(qū)動下，旋轉(zhuǎn)小輪（行星輪）除了繞減速器輸出軸自轉(zhuǎn)外，還繞支撐軸沿著固定齒輪（太陽輪）旋轉(zhuǎn)，帶動艏部筒體沿支撐軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動觀測設(shè)備完成俯仰動作。

▲圖1 整體式艏部外形結(jié)構(gòu)圖

在加工和水下機器人湖試中發(fā)現(xiàn)，這種艏部設(shè)計存在以下缺點。

（1）工藝復(fù)雜，加工制造成本高。為保證殼體的水密性、強度及尺寸精度，殼體如采用整塊鋁合金板料大面積掏空加工，會造成原材料的大量浪費；如采用焊接結(jié)構(gòu)，則要對所有焊接部位進行探傷，同時要采用高溫回火等復(fù)雜的熱處理工藝，來消除焊接殘余應(yīng)力，以穩(wěn)定尺寸結(jié)構(gòu)。為避免海水腐蝕對殼體造成損壞，殼體采用了復(fù)雜的表面處理工藝，如殼體成型后進行陽極氧化、鉻酸鹽封閉處理以及外表面噴涂防腐漆等。

▲圖2 整體式艏部俯仰機構(gòu)傳動原理示意圖

（2）外置的頭部連接桿會影響水下機器人的流線型外形，從而增大了水流阻力和功耗。雖然考慮了增加導(dǎo)流罩進行整流，但效果并不理想。

（3）觀測設(shè)備及俯仰機構(gòu)密封在殼體內(nèi)，導(dǎo)致殼體存在多處密封，降低了其安全性。只要有一處漏水，就有可能造成所有功能設(shè)備的損壞，同時對于漏水的部位也難以進行檢測。

（4）由于選用的聲納是通過機械旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)聲學(xué)掃描，安裝在平臺底部的聲納在掃描過程中會對水下機器人形成一定的舵效應(yīng)，進而影響到水下機器人運動的穩(wěn)定性和操控性。

（5）在水下機器人懸停對目標(biāo)進行近距離觀察識別時，一般要進行俯仰動作。其俯仰動作會對水下機器人產(chǎn)生較大的擾動，影響到水下機器人姿態(tài)的平穩(wěn)性。因此常將要進行俯仰動作的部組件設(shè)計成零浮力，以保證其在水中的靜平衡。此種結(jié)構(gòu)要在艏部殼體內(nèi)安裝大量的壓載，才能保證其艏部在水中的靜平衡。但在實驗室和母船上對俯仰機構(gòu)進行調(diào)試和功能檢查時，其附加的壓載會加重電機的負荷，降低其使用壽命。如采用將壓載去掉，又會增加額外的裝配時間。

▲圖3 分體式艏部外形結(jié)構(gòu)圖

▲圖4 水下照明燈結(jié)構(gòu)圖

（6）照明燈、攝像機均安裝在球殼內(nèi)，存在一定的視覺盲區(qū)。

2 改進設(shè)計

2．1 方案制定

針對以上艏部在加工和試驗中出現(xiàn)的問題，對艏部進行了改進設(shè)計。采用“整體開放、局部密閉”的設(shè)計思路，設(shè)計了一種分體式的艏部（如圖3所示）。艏部殼體采用玻璃鋼材料制作輕質(zhì)殼體結(jié)構(gòu)，由左外殼、中間球殼和右外殼組成。中間球殼由開有觀測窗口的前導(dǎo)流罩和后導(dǎo)流罩組成，可進行俯仰動作。照明燈、攝像機按功能模塊分別獨自密封，形成獨立的模塊單元。由上安裝板、下安裝板、左法蘭盤、右法蘭盤、支撐轉(zhuǎn)軸組成一個可進行俯仰動作的云臺，觀測設(shè)備安裝在云臺上。為達到更好的觀察效果，增加了兩個遠光燈，安裝在左右外殼的筒體內(nèi)，并與水下機器人軸線成一定角度向下。為減小懸停觀察時俯仰動作對水下機器人姿態(tài)穩(wěn)定性的干擾，云臺和中間球殼在水中可保持靜平衡，并且其俯仰中心與其浮心重合。

2．2 水下照明燈設(shè)計

為保證照明燈在水下工作時安全和可靠，將照明燈本體密封在一個耐壓筒體內(nèi)形成水下照明結(jié)構(gòu)，如圖4所示。照明燈本體固定在筒體尾蓋上，有利于照明燈的換裝及電氣接線。尾蓋與照明燈筒體采用O型圈1密封，螺釘連接。照明燈筒體前部的密封由照明燈玻璃、O型圈2、帶有螺紋的光窗壓蓋組成。為防止光窗壓蓋旋緊時對照明玻璃的損壞，在兩者之間增加了一個由聚四氟乙烯材料制作的光窗壓圈。照明燈與外部的電氣連接采用壓纜密封方式來實現(xiàn)，其壓纜密封由金屬薄墊片、橡膠密封圈、金屬厚墊片、壓緊螺塞、電纜組成。經(jīng)過在實際水下環(huán)境中的實驗證明，這樣的電氣連接接口，即使在水中承受一定的水壓，也能保證信號與能源安全正常的傳輸。在水下照明燈筒體上加工有螺紋孔，通過螺釘連接，實現(xiàn)水下照明燈與外部云臺（或左外殼、右外殼）的機械對接。

▲圖5 水下攝像機結(jié)構(gòu)圖

▲圖6 俯仰機構(gòu)簡圖

2．3 水下攝像機設(shè)計

水下攝像機結(jié)構(gòu)設(shè)計與水下照明燈結(jié)構(gòu)設(shè)計一致，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。由上安裝板、連接板、下安裝板、輔助支撐塊組成攝像機本體的安裝架，將攝像機本體固定在安裝架后，通過連接板與筒體尾蓋連接。其電氣接口采用壓纜密封方式來實現(xiàn)，機械接口由筒體上的螺紋孔與云臺用螺釘進行連接。

2．4 水下俯仰機構(gòu)設(shè)計

水下俯仰機構(gòu)由傳動機構(gòu)和俯仰角度檢測機構(gòu)組成，傳動機構(gòu)采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動，俯仰角度檢測機構(gòu)通過電位器來測量俯仰角并反饋給控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 設(shè)計難點

水下照明燈與水下攝像機的相對位置直接影響到水下機器人的觀測效果。譬如，把光源放在攝像機的正前面照射被照物體時，就會把攝像機正前面水中漂浮的懸濁物照得很亮，從而難以得到被照物體的像差，圖像很難清晰。同時由于光在水中的衰減，要取得理想的觀測效果，就要選擇照明裝置和攝像機相對觀測區(qū)的最有利的位置，對鏡頭視場角和照明裝置光通量出射角進行協(xié)調(diào)，以增強水下視距。因此在設(shè)計水下機器人時，應(yīng)從水下機器人接近觀測對象的能力、保持靜止或準(zhǔn)確移動的能力以及所選用攝像機的視距、視角、照明裝置的照度、水質(zhì)情況等因素加以全面考慮，以求得最佳配置[1］。由于設(shè)計的水下機器人為增加觀測的視場角，觀測設(shè)備安裝在一個可進行俯仰動作的云臺上，為減小其俯仰動作對水下機器人姿態(tài)平穩(wěn)性的擾動，其整個俯仰部分在水中要具有零浮力，并且其俯仰中心在其浮心上。因此，在布置觀測設(shè)備時，要綜合考慮水下機器人的觀測效果和運動的平穩(wěn)性，以求得最佳的匹配。

4 總結(jié)與試驗

與原艏部相比，改進后的艏部具有以下優(yōu)點：①由于殼體采用了抗腐蝕性好、質(zhì)量輕、成形方便、建造快、修理容易的玻璃鋼材料制作，使其成本低廉，工藝簡單。②所有機械結(jié)構(gòu)件均內(nèi)置于球殼，結(jié)構(gòu)緊湊，沒有外部附件，不會增加額外的水流阻力，對水下機器人起到了較好的整流作用。③將觀測設(shè)備按不同的功能密封，形成了各自獨立的模塊單元，在每個獨立的功能模塊內(nèi)部均安裝了漏水檢測傳感器，并將其分別接在不同的I／O端口，一旦水下機器人發(fā)生漏水報警，即可快速具體地判斷每個模塊艙的安全情況，提高了檢測效率。④聲納內(nèi)置于中間球殼里面，消除了原來的舵效應(yīng)影響，提高了水下機器人運動控制精度。⑤俯仰云臺不用額外增加壓載或浮力材料，在結(jié)構(gòu)上很容易實現(xiàn)水中靜平衡。⑥增加了兩個遠光燈，提高了水下照明效果。

改進后的水下機器人在湖北漳河和廣州珠江進行湖試，試驗結(jié)果表明，水下機器人在相同的航速下，推進器功率相比之前較小，同時提高了其水下照明和觀察效果，且水下機器人的運動更易控制。改進后的艏部，為水下機器人的高效運行提供了有效的硬件基礎(chǔ)。

［1］ 蔣新松，封錫盛，王棣棠.水下機器人［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000.