劉子浪，李日輝，李德榮，勞俊達，劉冠靈，李志鵬

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一種波紋管式水下機器人設計

劉子浪，李日輝，李德榮*，勞俊達，劉冠靈，李志鵬

（廣東海洋大學 機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088）

針對目前作業(yè)級水下機器人的噪音大、影響水生物正常生長的問題，提出一種基于波紋管平衡器的作業(yè)級ROV水下機器人設計，具有浮力控制精度高、控制反應迅速的特點，可應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖等淺水作業(yè)領域，具有能耗低、噪聲小、對水下生物干擾小的優(yōu)點。開架式的設計使該ROV水下機器人具有模塊化優(yōu)勢，通過姿態(tài)控制系統(tǒng)調整浮力，可搭載不同的作業(yè)設備，能滿足深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的多種需求。

波紋管；水下機器人；姿態(tài)控制；模塊化；低噪音

ROV（Remote Operated Vehicle）水下機器人可分為觀察級和作業(yè)級。觀察級ROV本體尺寸、重量較小，負載能力低，搭載有攝像頭，常用于水下視頻監(jiān)測，設備可擴展能力弱，功能較為單一。作業(yè)級ROV主要用于水下施工、公安消防、科研等領域[1-3]，可搭載液壓或電動水下機械手，能進行水下打撈、水下施工、水下抓取、水下采樣、水下標記等水下作業(yè)，但往往設備體積龐大、工作噪聲大，設備操作復雜且造價高昂。

針對以上問題，本文提供了一種作業(yè)級波紋管式水下機器人的設計，具有能耗低、噪音小、作業(yè)時對水生物干擾小的特點，可應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖領域，滿足對網(wǎng)箱實行全天候的水下監(jiān)控、檢測網(wǎng)箱破損情況和網(wǎng)箱內(nèi)部餌料剩余情況、病體水產(chǎn)采樣、檢測水溫水質參數(shù)變化等多種需求，具有很高的設備使用頻率和很好的應用前景。同時，開架式的設計使該ROV具有模塊化[4]的優(yōu)勢，通過姿態(tài)控制系統(tǒng)調整浮力，可搭載不同的作業(yè)設備，能滿足深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的多種需求。

1 控制系統(tǒng)整體設計

本設計控制邏輯上內(nèi)建有ROV控制系統(tǒng)，如圖1所示，具體包括姿態(tài)控制系統(tǒng)、定深控制系統(tǒng)、偏航控制系統(tǒng)、設備自檢系統(tǒng)、水下作業(yè)系統(tǒng)、水環(huán)境檢測系統(tǒng)等。

1.1 控制中心（電子倉）

控制中心（電子倉）采用防水密封結構，內(nèi)有電控裝置以及多種水質傳感器。開口處安裝有多組防水接頭和一組線纜管道。水下攝像頭、推進器、水下照明裝置、多功能云臺、水下作業(yè)裝置多功能接口的線纜均通過防水接頭引出。線纜管道從電子倉中引出后分成四組通往四個平衡總成，平衡總成中直線驅動裝置、溫濕度傳感器、壓力傳感器的線纜通過線纜管道接入電子倉，這種處理可以減少電子倉上開孔數(shù)量。上蓋有兩組開孔，水壓傳感器、水質傳感器由這兩個孔位伸出，再通過螺栓鎖緊，并用橡膠墊進行密封。

1.2 姿態(tài)控制系統(tǒng)（平衡總成）

平衡總成（圖2）通過螺栓與波紋管平衡器上的波紋管法蘭連接，并用橡膠密封圈進行密封加固形成封閉腔，腔內(nèi)裝有直線驅動裝置，通過銷釘與法蘭頂蓋、法蘭底蓋連接。直線驅動裝置做往復直線運動，壓縮波紋管平衡器從而改變封閉腔內(nèi)氣體體積。

1.法蘭頂蓋2.尼龍墊圈3.鋁合金墊片4.套筒5.直線驅動裝置 6.銅軸套7.橡膠密封圈8.法蘭底蓋9.帶法蘭四氟波紋管

波紋管平衡器，又稱為四氟波紋管平衡器，在本設計中指一種用可折疊皺紋片沿折疊伸縮方向連接成的管狀彈性敏感元件，可通過壓縮、拉伸改變長度。聚四氟乙烯（PTFE）波紋管，目前主要用于管道柔性連接和作為深海設備壓力平衡器等，具有很好的伸縮性能、獨特的耐腐蝕性能、良好的抗疲勞性能等，按GB l040－79測得PTFE斷裂伸長率為233%[5]。聚四氟乙烯波紋管精度要求高、材質彈性模量低、波紋結構易變形[6]，在力的作用下波紋管的波峰、波谷產(chǎn)生形變。相對于利用皮囊形變進行浮力改變的裝置[7]，該部件的優(yōu)點有：壓縮時噪音??；伸縮形變穩(wěn)定，可精確控制浮力；具有一定的耐壓能力，淺水作業(yè)時無須另外加裝壓力平衡裝置。相對于不銹鋼波紋管，該部件的優(yōu)點有：降低結構重量、降低對直線驅動裝置的動力需求、提高耐海水腐蝕能力、提高形變?nèi)犴g性、具有耐形變疲勞能力。同時考慮到水下作業(yè)需要較好的耐壓能力，本設計中采用耐正、負壓的聚四氟乙烯波紋管。波紋管兩端的法蘭兩側都放置有鋁合金墊圈，提高螺栓密封性能。

計算公式如下：

式中：為浮力；為水的密度；為波紋管位移量；為直徑；2為工作水深環(huán)境水壓；1為大氣壓強；為重力加速度；0為工作水深；為浮筒內(nèi)部壓力；為波紋管內(nèi)空氣體積；為氣體物質的量；為常數(shù)；為熱力學溫度。

在需要更換搭載的其他作業(yè)設備時，其浮力由壓縮的空氣體積改變量決定，具體取決于浮筒內(nèi)徑、波紋管壓縮量。當該ROV通過壓縮波紋管平衡器達到需要的壓縮量時，即可保持裝置整體的零浮力狀態(tài)。

選定帶負載能力40 kg、最大水深30 m進行設計，根據(jù)尺寸規(guī)格參數(shù)選取波紋管內(nèi)徑為140 mm、壓縮量為0～100 mm，計算出環(huán)境水壓2絕對值，以設計最大水深作工作水深為例進行計算。使用SolidWorks結構仿真計算求得：4個波紋管處于拉伸行程極限時管內(nèi)空氣體積為78 L，并記此時為狀態(tài)1，可知該狀態(tài)對應浮筒內(nèi)氣壓即為預加氣壓值；當波紋管壓縮量最小時波紋管的位置記為狀態(tài)2，并令此時管內(nèi)氣壓等于2。由此可算出波紋管壓縮量，代入公式求得出狀態(tài)2管內(nèi)空氣體積為62 L。代入公式，可算出狀態(tài)1浮筒內(nèi)部氣壓為3.5×105Pa，這一數(shù)值可作為預加氣壓的參考值[8]。

ROV在水中共有6個自由度，包括：進退、橫滾、沉浮、偏轉、橫搖、俯仰均，可由姿態(tài)控制系統(tǒng)實現(xiàn)。圖3為實現(xiàn)機器人主體的實現(xiàn)俯仰運動的原理圖。

1.3 設備自檢系統(tǒng)

設備自檢系統(tǒng)包括溫濕度傳感器、電流傳感器、六軸姿態(tài)傳感器。溫濕度傳感器等，通過螺栓固定于法蘭頂蓋的肋板上，用于檢測直線驅動器是否發(fā)生故障、平衡總成是否發(fā)生漏水。電流傳感器置于電子倉內(nèi)，用于檢測各個直線驅動器、推進器的電流大小，以監(jiān)測設備運轉狀況。

2 ROV整體設計

ROV整體設計如圖4所示?？蚣苷w由鋁支架型材搭建而成，該型材剛度高、耐腐蝕性好、成本較低?？蚣芙Y構上下部分別通過螺栓固定有頂板、底板及線纜夾具。臍帶電纜通過線纜夾具進行夾持固定并接入電子倉，連接上位機控制端與下位機設備，為下位機設備提供供電和進行通訊。頂板、底板上均留有多個預留孔位，用于固定配重塊。頂板上設置有浮體，通過選擇合適的浮體、調整配重塊數(shù)目及位置便可調整設備為零浮力狀態(tài)、重心處于框架幾何中心所在垂線?？蚣軆蓚却钶d有推進器，通過PID控制調整偏航角。PID控制由于其結構簡單，參數(shù)調節(jié)容易，控制精度高。

1.鋁合金框架 2.多功能云臺 3.機械爪平衡總成 4.平衡總成 5.照明燈 6.水下攝像頭 7.浮體 8.緩沖罐 9.推進器

3 應用前景

隨著我國海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，水下機器人操作手在水下勘探、水下采礦、海洋石油工程等領域發(fā)揮著越來越重要的作用[9]。波紋管壓縮時耗能低、噪音小、控制精度高，作業(yè)時對水下生物產(chǎn)生的不良影響極低。從長期來看，水下機器人作為智能化、自動化作業(yè)的典型應用，擁有廣闊的發(fā)展前景[10]，可廣泛應用于深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖、水下施工、水下考古、水下科研等水下作業(yè)中，并能有效降低人類活動對海洋生態(tài)干擾。

[1]王丹. 水下機器人在深水海底電纜維修中的應用[J]. 科技資訊，2012（20）：20-21.

[2]彭阿靜. 一種用于安保的水下機器人設計[J/OL]. 機電工程技術，2015，44（6）：59-61.

[3]彭學倫. 水下機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 機器人技術與應用，2004（4）：43-47.

[4]徐玉如，李彭超. 水下機器人發(fā)展趨勢[J]. 自然雜志，2011，33（3）：125-132.

[5]吳海橋，李永生，王銀惠，董珉. 聚四氟乙烯波紋管剛度性能研究[J]. 壓力容器，1997（2）：20-24，90.

[6]吳迎春，謝波. 聚四氟乙烯波紋管的車削加工[J]. 輕工機械，2014，32（6）：78-80.

[7]康昌霖，周春琳，朱琦. 一種水下機器人自排油式浮力調節(jié)裝置[P]. CN205150199U，2016-04-13

[8]劉子浪，楊芳，莊集超，張立群，張德立，蘇婷. 用于深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的一種小型ROV結構設計[J]. 漁業(yè)信息與戰(zhàn)略，2017，32（3）：211-216.

[9]常宗瑜，陳秉聰. 水下機器人——機械手系統(tǒng)的動力學分析[J]. 機械，2006（4）：4-6，29.

[10]朱帥. 海洋開發(fā)，水下機器人大有可為[J]. 中國工業(yè)評論，2017（8）：72-76.

Design of a Bellows Underwater Robot

LIU Zilang，LI Rihui，LI Derong，LAO Junda，LIU Guanling，LI Zhipeng

( Mechanical and Power Engineering College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

In view of the noise of working class underwater robot, affecting the normal growth of aquatic organisms. This article presented a design of an operating level ROV underwater robot which based on bellows balancer. This underwater robot has characteristics of high precision and rapid respond of buoyancy control. It can be used in shallow water operation, such as aquaculture, and has the advantages of low energy consumption, small noise and small interference to underwater organism. At the same time, the design of open shelves so that the ROV robot has the advantages of modular, through the attitude control system to adjust buoyancy, can be equipped with different operating equipment, can meet the various needs of offshore cage aquaculture.

bellows；underwater robot；attitude control；modularization；small noise

S951.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.010

1006－0316 (2018) 03－0039－04

2017－06－12

廣東海洋大學“創(chuàng)新強校工程”2013年省獎補資金支持建設項目——基于校企協(xié)同的工程訓練育人平臺建設（GDOU2013010306）；廣東海洋大學“創(chuàng)新強校工程”2016年省財政專項資金支持項目——金工實習教學團隊GDOU2016041003；廣東海洋大學海之帆——起航計劃（qhjh2017kj09）；2018年度廣東大學生科技創(chuàng)新培育專項資金（攀登計劃pdjha0232）

劉子浪（1994－），男，湖南岳陽人，本科，主要研究方向為機電一體化。

李德榮（1968－），男，廣東湛江人，碩士，高級實驗師，主要研究方向為數(shù)字化設計與制造技術、機電自動化裝備設計與制造。