竇 京，王志東，凌宏杰，李 洋，凌 杰，吳 娜，付 佳

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

由于材料老化等原因，許多大壩水庫已經(jīng)處于“病態(tài)”，其表面和主體出現(xiàn)了缺口、裂縫、空洞等損傷，需進行質(zhì)量檢查。為了保證通商口岸港口以及海洋平臺的安全，需對水下結(jié)構物進行定期監(jiān)察。船舶常年航行在海洋上，船體表面常附著一些海洋生物和銹蝕，使其粗糙度增加，航行阻力增大。而在清理船塢里進行噴砂處理的作業(yè)環(huán)境差，污染嚴重，修船期長［1］。水下機器人可以作為載體搭載檢測儀器和清污裝置代替潛水員進入較深水域和危險環(huán)境進行工作，可以對內(nèi)河水庫大壩、海洋結(jié)構物、船體進行監(jiān)察與清污作業(yè)。特別是帶纜遙控水下機器人(Remotely Operated Vehicle，ROV)，它通過臍帶纜來傳輸水下機器人本體所需的動力，同時也上傳傳感器信號和下傳控制信號，續(xù)航力強，動力更充沛，安全可靠性更高，數(shù)據(jù)傳輸能力強。工程人員可在母船上通過連接在臍帶纜一端的控制平臺來操縱ROV。

針對上述問題，本文設計一種模塊化多功能帶纜遙控水下機器人(Mode Conversion ROV，MC－ROV)，通過水面控制平臺控制其水下作業(yè)，可以進行浮游勘察和爬行清污作業(yè)，可以在浮游和爬行模態(tài)之間自由切換。MC－ ROV 入水后，靠自身裝配的推進器進行浮游運動，并利用自帶的觀通設備進行水下勘察作業(yè);接近目標壁面后，MC－ ROV進行模態(tài)切換，采用輪式爬行裝置和毛刷進行壁面清污作業(yè)。

1 ROV 系統(tǒng)設計

1.1 任務要求

1)能在100 m 水深內(nèi)進行自由浮游勘察作業(yè);

2)能夠緊貼水下壁面爬行，并對其進行全方位細致的監(jiān)察;

3)可以對船體、大壩、海洋結(jié)構物進行壁面清污作業(yè)。

1.2 主要技術性能指標

結(jié)構形式:開架式;

設計尺寸:1 000 mm×500 mm×500 mm;

吸附方式:螺旋槳推力吸附;

爬行方式:四輪，后置兩驅(qū);

清污裝置:2個毛刷滾輪;

工作水深:100 m;

推進器:導管螺旋槳;

空氣中凈重:90 kg。

1.3 系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，本文研發(fā)的MC－ROV 系統(tǒng)分水面控制系統(tǒng)和水下機器人本體2個子系統(tǒng)，兩者通過臍帶纜連接實現(xiàn)信號、能源的傳輸。水面控制系統(tǒng)包括電源和上位機軟件，上位機軟件可以由上位機軟件按鈕、鍵盤、鼠標、操控搖桿來控制，可以實時顯示水下傳感信息和視頻信息。水下機器人本體包括水下控制器、視覺照明模塊、水下傳感設備、動力推進單元四部分。視覺照明模塊由1個高清水下攝像機和2個水下LED 燈組成，水下傳感設備包括慣性導航裝置、深度傳感器，它們捕獲的實時信息經(jīng)過水下控制器處理后上傳，水面控制系統(tǒng)接收信號后處理到上位機軟件，操控人員參考此信息對水下機器人本體浮游運動與爬行清污進行操控。動力推進單元包括垂向推進模塊、縱向推進模塊、模態(tài)切換模塊、爬行清污模塊。

圖1 MC－ROV 系統(tǒng)結(jié)構框圖Fig.1 The structure diagram of the MC－ROV system

動力推進系統(tǒng)的工作原理為:5個推進器能夠?qū)崿F(xiàn)機器人升沉、進退、轉(zhuǎn)首、縱搖4個自由度的浮游運動以及爬行清污作業(yè)。其中垂向推進模塊的2個垂向推進器實現(xiàn)升沉或縱搖運動，模態(tài)切換模塊的一個吸附推進器實現(xiàn)壁面吸附。浮游時，模態(tài)切換模塊的2個縱向推進器分別驅(qū)動縱向推進模塊的2個縱向螺旋槳實現(xiàn)進退、轉(zhuǎn)首運動;爬行時，2個縱向推進器同時驅(qū)動爬行清污模塊的2個后置小車輪和2個清污滾輪實現(xiàn)爬行清污同步作業(yè)。吸附推進器亦可以驅(qū)動模態(tài)切換模塊垂向運動以進行模態(tài)切換。

1.4 水下機器人本體設計

1.4.1 運動方式的選擇

爬行水下機器人需兼?zhèn)湮胶鸵苿庸δ堋Ｍ屏ξ嚼寐菪龢耐屏OV 壓吸在壁面上，推力始終垂直指向壁面，吸附能力和壁面適應性較強。車輪式移動速度快、轉(zhuǎn)向控制靈活、越障能力強［2］。電機驅(qū)動導管螺旋槳技術成熟、簡單可靠、靈活可控、推力強勁?？紤]到本文設計的MC－ROV 需在各種(水庫大壩、船體、海洋結(jié)構物)壁面上進行全方位的勘察與清污作業(yè)，爬行作業(yè)選擇推力吸附與車輪式相結(jié)合，浮游作業(yè)時采用導管螺旋槳作為推進器。

1.4.2 總體結(jié)構的設計

兼具浮游和爬行的ROV 不多見，美國的LBC［3］是一種浮游爬行ROV，它用四驅(qū)小車爬行，用渦流發(fā)生器來吸附。該機器人驅(qū)動裝置眾多 (9個電機)，電機利用率低，能耗大，控制對象眾多且復雜。本文MC－ ROV，通過吸附推進器控制切換模塊運動改變縱向電機動力作用點，實現(xiàn)浮游和爬行模態(tài)的切換:縱向電機與縱向螺旋槳齒合時可實現(xiàn)機器人4個自由度浮游運動;縱向電機與傳動箱齒合時實現(xiàn)機器人的爬行清污作業(yè);傳動箱可以給后置兩車輪和清污滾輪傳輸動力，吸附推進器在爬行時提供壁面吸附力。本設計的MC－ROV “一機多用”電機利用率高;采用模塊化設計，便于拆卸和拓展功能，最大限度的降低自身重量、體積、制造成本、加工難度、供電系統(tǒng)能耗等;具備浮游、吸附、爬行、清污、水下監(jiān)察多種功能，實用性強，適用范圍廣。

ROV的結(jié)構形式主要有密封式和開架式(框架式)，多數(shù)ROV 為長方體開式金屬框架。雖然框架式ROV的運行阻力較大，但其動力充沛，總體布置比較方便，易于加掛和換裝載體上的設備儀器，且框架可以起到圍護、支承和保護其部件的作用［4］。綜合考慮以上因素及本設計模態(tài)切換模塊的運動特點，MC－ROV 本體的結(jié)構形式選用開架式。

1.4.3 動力系統(tǒng)的布置

ROV 是在空間運動的物體，6個自由度的運動至少需配備6個推進器;但是一般進退、潛浮和轉(zhuǎn)首3個自由度的運動就能滿足浮游的需求;而其穩(wěn)定性可以靠合理的穩(wěn)心設計來保證。

推進器的布置應考慮以下原則［5］:1)盡可能使3 軸的合力交匯于一點，這一點應盡可能的接近載體的重心;2)推進器的重量在水下機器人中占有較大的比重，小型水下機器人應盡可能減少推進器的數(shù)量;3)推進器的布置應當使其軸線平行于動坐標系或者與其成小角度，這樣可以取得較大的效率。綜合以上分析，本文采用的設計方案如下:MC－ROV 由5個推進器提供浮游動力，2個縱向推進器同轉(zhuǎn)速可進退，差速可轉(zhuǎn)首運動;3個垂向推進器同轉(zhuǎn)速可升沉，首尾2個垂向推進器差速可調(diào)縱搖姿態(tài)，為載體進行壁面爬行做前期準備;水平推進器布置如圖2所示，垂向推進器布置如圖3所示。

圖2 水平向推進器布置Fig.2 The arrangement of horizontal thrusters

圖3 垂直向推進器布置Fig.3 The arrangement of vertical thrusters

1.4.4 結(jié)構布局

ROV 本體主要是一個能夠攜帶各種視覺傳感設備、檢測裝置、導航設備、作業(yè)裝置、水下控制器、推進器，且能在水下進行空間運動的載體。在設計布局時需要充分考慮以下問題:1)各模塊和加裝設備的布置位置對ROV的自穩(wěn)性、操縱性、設備自身能力的影響;2)零件和設備的體積需與ROV 本體的設計尺寸相適應，需考慮到實體零件安裝的干涉問題;3)載體框架要有足夠的強度來保證結(jié)構的穩(wěn)定;4)設備拆裝的便易性;5)盡量使各部件布置在載體框架內(nèi)部，以起到圍擋防撞的作用。

本文設計的水下機器人本體結(jié)構布局如圖4所示。

載體框架作為搭載基礎，是螺栓連接的鋼制矩形框架結(jié)構;浮體被4個浮體連接件安裝在載體框架的上部，3個大圓孔為推進器的導流通道;載體框架前部下方安裝有從動輪模塊，2個萬向輪可作為前置從動輪;控制艙安裝在載體框架的前部中下層;驅(qū)動艙放在控制艙上，并與從動輪模塊可靠固接;視覺照明模塊安裝在載體框架前部中上層，包括2個水下LED照明燈和1個水下攝像機;載體框架中層首尾對稱布置安裝2個垂向推進模塊，由導管螺旋槳推進器以及各種連接零件組成;一對縱向推進模塊是由尼龍齒輪驅(qū)動導管螺旋槳，左右對稱安裝在載體框架的兩側(cè);模態(tài)切換模塊安裝在載體框架的中部;2個爬行清污模塊是由尼龍齒輪驅(qū)動主動車輪和清污滾輪，左右對稱安裝在載體框架的尾部下層兩側(cè)。

圖4 水下機器人本體結(jié)構布局Fig.4 The structural configuration of the ROV

1.5 MC－ROV 實體簡介

如圖5所示，研制完成的MC－ROV 系統(tǒng)包括:①水下機器人本體;②臍帶纜;③PC 機(上位機控制軟件);④電源模塊;⑤控制手柄;⑥鼠標。

圖5 完整的MC－ROV 系統(tǒng)Fig.5 The MC－ROV system

2 技術方案分析

2.1 切換模塊的計算與強度校核

切換模塊上安裝了3個推進器，靠4個壓縮彈簧支撐，壓縮彈簧可以在切換模塊向下運動時提供緩沖力，向上運動時提供恢復力。

為了驗證切換模塊的可靠性需對其主要結(jié)構的承載力極限進行校核。如圖6所示，切換模塊由鋁合金和不銹鋼螺栓連接而成。我們只關注整體結(jié)構的強度和剛度信息，并不對螺栓本身進行計算分析。采用Solidworks Simulation 模塊進行有限元分析［6］，分析流程為“建模－選擇分析類型－定義材料屬性－設置接頭－定義接觸類型－定義夾具－施加荷載－網(wǎng)格劃分－解算”。使用“螺栓接頭”模擬螺栓連接，各板材和連接件之間的接觸類型則選擇面與面之間的無穿透接觸，4個小孔為固定邊界，把電機和其連接件以“遠程荷載”的形式施加到運動板上，并且考慮結(jié)構的自重。

圖6 切換模塊三維虛擬模型Fig.6 3D virtual model of the conversion device

計算結(jié)果如圖7～圖9所示。由圖7 可知，最大應力在縱向電機連接件的外邊緣附近，應力最大值為18.913 MPa，小于許用應力55.15 MPa。如圖8所示，結(jié)構變形最大的位置在縱向電機附近與垂向電機連接件的邊緣，變形集中在結(jié)構的中部，這是因為3個電機沿中軸線橫向排列使荷載集中。最大變形僅為0.113 mm，僅為切換模塊主尺度的0.35/1000，滿足使用要求。Simulation 中的“銷釘/螺栓安全檢查”功能可以確定裝配體中的一個螺栓是否能安全承受應用的荷載，如圖9所示，圖形中區(qū)域為綠色表示螺栓載荷的安全比率大于安全系數(shù)，經(jīng)過計算，結(jié)構中所有的螺栓均安全可靠。

圖7 切換模塊Vonmises 應力云圖Fig.7 Vonmises stresses contour of the device

圖8 切換模塊位移分布云圖Fig.8 Displacement contour of the device

圖9 切換模塊螺栓狀態(tài)圖Fig.9 State of bolts in the the device

2.2 壓縮彈簧的設計

2.2.1 設計條件

切換模塊由4個套在導軌上的壓縮彈簧支撐，可以上下運動，進行模態(tài)切換。如圖10～圖11所示，切換模塊的浮力Fb=41.42 N，重量G=110.55 N?？梢粤谐龇匠?

式中:N1為浮游模態(tài)時模態(tài)切換模塊受到的上部壓力;N2為爬行模態(tài)時模態(tài)切換模塊受到的下部支撐力;F1為彈簧最小工作荷載;F2為彈簧最大工作荷載;Ft為爬行模態(tài)時，模態(tài)切換模塊的最小推力，這里取40 N。

取N1=10 N，N2=0 N;求解式(1)可得:F1=19.78 N，F(xiàn)2=27.28 N。根據(jù)設計要求H1=130.5 mm，H2=77 mm，D2=20 mm。其中，H1為在F1作用下的彈簧高度，mm;H2為在F2作用下的彈簧高度，mm;D2為彈簧的中徑，mm。

圖10 浮游模態(tài)時切換模塊的受力圖Fig.10 3.29 Force analysis of device when swimming

圖11 爬壁模態(tài)時切換模塊的受力圖Fig.11 Force analysis of device when crawling

2.2.2 詳細設計

考慮到水下機器人作業(yè)情況，選擇Ⅰ類彈簧(受變負荷作用次數(shù)在106次以上)［7］，材料選用不銹鋼Cr17Ni7Al，參考《機械設計手冊》第30 篇彈簧部分計算可得彈簧各參數(shù)如表1所示。

表1 彈簧各參數(shù)表Tab.1 Parameters of the spring

表1 中，n1為彈簧總?cè)?shù);k 為彈簧的剛度，N/mm;d 彈簧鋼絲直徑，mm;f1為F1作用下彈簧的變形量，mm;f2為F2作用下彈簧的變形量，mm;fb為彈簧的壓并變形量，mm;Fb為彈簧的壓并荷載，N;Hb為彈簧的壓并高度，mm;H0為自由高度，mm;P 為節(jié)距，mm;r 為螺旋角，(°);L 為展開長度，mm。

2.3 阻力的計算與推進器的選型

由于水下機器人以進退為主要運動，所以以水下機器人縱向阻力為基準來估算推進器的推力。水下機器人的阻力包括水下機器人本體的阻力和纜繩的阻力2個部分。對于水下機器人本體的阻力，可以采用CFD 軟件Fluent 來估算獲得;而對于纜繩的阻力，可以通過經(jīng)驗公式估算求得。

2.3.1 水下機器人載體阻力的數(shù)值計算

1)計算模型與網(wǎng)格劃分

圖12 MC-ROV 簡化模型Fig.12 Computational model of the MC-ROV

如圖12所示，將MC-ROV 等比例虛擬模型簡化，得到本文的計算模型，全長1 000 mm，寬約500 mm，高約500 mm。如圖13所示，采用長方體計算區(qū)域，沿水下機器人左右兩側(cè)取3.5 倍體長，上下兩側(cè)取3.5 倍體長，縱向取11 倍體長，其中首向3.5 倍體長，尾向7.5 倍體長。由于本文框架式水下機器人結(jié)構復雜，采用單塊或多塊結(jié)構化網(wǎng)格劃分難度較大，而采用非結(jié)構化網(wǎng)格劃分時網(wǎng)格數(shù)量較大，所以采用分塊混合網(wǎng)格劃分:將本體放置于球域內(nèi)，采用非結(jié)構網(wǎng)格劃分;從球到正方體區(qū)域內(nèi)，采用“O 型”網(wǎng)格進行劃分，正方體與外圍網(wǎng)格對接，采用結(jié)構網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為1 023 325。

圖13 計算控制區(qū)域Fig.13 Computation control domain

2)直航阻力性能數(shù)值計算

取上游邊界為速度入口，下游邊界為自由出口，周圍邊界和計算模型為固壁。流動為非定常，并具有明顯的湍流特性。采用湍流計算模型標準K- ε 模型，標準壁面函數(shù)，SIMPLE算法求解壓力速度耦合方程組。離散的代數(shù)方程用Green- Gauss Cell Based法求解。對流項中壓力采用Standard 方式差值，采用一階迎風格式離散動量、湍動能、湍動耗散率。取流動速度分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.629 m/s。不同航速下本體的阻力如表2所示。

表2 不同航速本體阻力表Tab.2 The body resistance at different speeds

MC-ROV 本體在航速為1.0 時的靜壓分布如圖14所示。水下機器人直航時，其阻力一般為粘性阻力(包括摩擦阻力和粘壓阻力)，且以粘壓阻力為主，主要集中首部，并基本沿縱軸線對稱分布。

圖14 MC-ROV 本體靜壓云圖Fig.14 Static pressure distribution of the MC-ROV

2.3.2 水下機器人總阻力的估算與推進器的選型

電纜阻力可用下式來估算［8］:

其中:Cd為電纜阻力系數(shù)，對于大多數(shù)ROV，其取值在0.1～0.2 之間，這里取0.12;A 為特征面積，對于電纜，A 等于電纜直徑乘以垂直于水流方向的長度，這里取0.38。

可以求得不同航速下MC- ROV 總阻力如表3所示，并繪制出阻力分布圖，如圖15所示。其中單個推進器的輸出功率:

表3 不同航速下MC-ROV 總阻力表Tab.3 The total resistance at different speeds

圖15 不同航速下MC-ROV 阻力分布圖Fig.15 Curves of different resistance

綜合考慮上述輸出功率的計算結(jié)果，以及MC-ROV的工作狀態(tài)，本文選取hp 推進器，其基本參數(shù)如表4所示。

表4 水下推進器參數(shù)表Tab.4 Parameters of the propeller

3 結(jié) 語

本文主要設計了一種可以浮游與爬壁自由切換的帶纜遙控水下機器人(MC-ROV)，其活動范圍廣，可以進行浮游勘察和爬行清污作業(yè)。詳細系統(tǒng)介紹了其設計方案及工作原理，解決了動力系統(tǒng)方面的難題。利用Solidworks- simulation 對模態(tài)切換模塊進行了有限元計算，結(jié)果表明其強度和剛度均滿足設計要求。分析了模態(tài)切換時切換模塊的受力，對壓縮彈簧進行了設計計算。估算了速度分別為0.2 m/s，0.4 m/s，0.6 m/s，0.8 m/s，1.0 m/s，1.2 m/s，1.4 m/s，1.629 m/s 時MC-ROV的航行阻力，確定了推進系統(tǒng)的布置方案和推進器的選型。計算分析為MC-ROV 系統(tǒng)的詳細設計提供了前期論證并為其進一開發(fā)奠定了基礎。

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