一種模態(tài)切換水下機(jī)器人初步設(shè)計(jì)

竇 京，王志東，凌宏杰，李 洋，凌 杰，吳 娜，付 佳

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)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(jìn)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(gòu)物進(jìn)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(jìn)行噴砂處理的作業(yè)環(huán)境差，污染嚴(yán)重，修船期長［1］。水下機(jī)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(jìn)入較深水域和危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行工作，可以對內(nèi)河水庫大壩、海洋結(jié)構(gòu)物、船體進(jìn)行監(jiān)察與清污作業(yè)。特別是帶纜遙控水下機(jī)器人(Remotely Operated Vehicle，ROV)，它通過臍帶纜來傳輸水下機(jī)器人本體所需的動力，同時(shí)也上傳傳感器信號和下傳控制信號，續(xù)航力強(qiáng)，動力更充沛，安全可靠性更高，數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)。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(shè)計(jì)一種模塊化多功能帶纜遙控水下機(jī)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(jìn)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(jìn)器進(jìn)行浮游運(yùn)動，并利用自帶的觀通設(shè)備進(jìn)行水下勘察作業(yè);接近目標(biāo)壁面后，MC－ ROV進(jìn)行模態(tài)切換，采用輪式爬行裝置和毛刷進(jìn)行壁面清污作業(yè)。

1 ROV 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 任務(wù)要求

1)能在100 m 水深內(nèi)進(jìn)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(jìn)行全方位細(xì)致的監(jiān)察;

3)可以對船體、大壩、海洋結(jié)構(gòu)物進(jìn)行壁面清污作業(yè)。

1.2 主要技術(shù)性能指標(biāo)

結(jié)構(gòu)形式:開架式;

設(shè)計(jì)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(gè)毛刷滾輪;

工作水深:100 m;

推進(jìn)器:導(dǎo)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(jī)器人本體2個(gè)子系統(tǒng)，兩者通過臍帶纜連接實(shí)現(xiàn)信號、能源的傳輸。水面控制系統(tǒng)包括電源和上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件可以由上位機(jī)軟件按鈕、鍵盤、鼠標(biāo)、操控?fù)u桿來控制，可以實(shí)時(shí)顯示水下傳感信息和視頻信息。水下機(jī)器人本體包括水下控制器、視覺照明模塊、水下傳感設(shè)備、動力推進(jìn)單元四部分。視覺照明模塊由1個(gè)高清水下攝像機(jī)和2個(gè)水下LED 燈組成，水下傳感設(shè)備包括慣性導(dǎo)航裝置、深度傳感器，它們捕獲的實(shí)時(shí)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(jī)軟件，操控人員參考此信息對水下機(jī)器人本體浮游運(yùn)動與爬行清污進(jìn)行操控。動力推進(jìn)單元包括垂向推進(jìn)模塊、縱向推進(jìn)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(gòu)框圖Fig.1 The structure diagram of the MC－ROV system

動力推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理為:5個(gè)推進(jìn)器能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人升沉、進(jìn)退、轉(zhuǎn)首、縱搖4個(gè)自由度的浮游運(yùn)動以及爬行清污作業(yè)。其中垂向推進(jìn)模塊的2個(gè)垂向推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)升沉或縱搖運(yùn)動，模態(tài)切換模塊的一個(gè)吸附推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)壁面吸附。浮游時(shí)，模態(tài)切換模塊的2個(gè)縱向推進(jìn)器分別驅(qū)動縱向推進(jìn)模塊的2個(gè)縱向螺旋槳實(shí)現(xiàn)進(jìn)退、轉(zhuǎn)首運(yùn)動;爬行時(shí)，2個(gè)縱向推進(jìn)器同時(shí)驅(qū)動爬行清污模塊的2個(gè)后置小車輪和2個(gè)清污滾輪實(shí)現(xiàn)爬行清污同步作業(yè)。吸附推進(jìn)器亦可以驅(qū)動模態(tài)切換模塊垂向運(yùn)動以進(jìn)行模態(tài)切換。

1.4 水下機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

1.4.1 運(yùn)動方式的選擇

爬行水下機(jī)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(yīng)性較強(qiáng)。車輪式移動速度快、轉(zhuǎn)向控制靈活、越障能力強(qiáng)［2］。電機(jī)驅(qū)動導(dǎo)管螺旋槳技術(shù)成熟、簡單可靠、靈活可控、推力強(qiáng)勁?？紤]到本文設(shè)計(jì)的MC－ROV 需在各種(水庫大壩、船體、海洋結(jié)構(gòu)物)壁面上進(jìn)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(shí)采用導(dǎo)管螺旋槳作為推進(jìn)器。

1.4.2 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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(jī)器人驅(qū)動裝置眾多 (9個(gè)電機(jī))，電機(jī)利用率低，能耗大，控制對象眾多且復(fù)雜。本文MC－ ROV，通過吸附推進(jìn)器控制切換模塊運(yùn)動改變縱向電機(jī)動力作用點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)浮游和爬行模態(tài)的切換:縱向電機(jī)與縱向螺旋槳齒合時(shí)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人4個(gè)自由度浮游運(yùn)動;縱向電機(jī)與傳動箱齒合時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jìn)器在爬行時(shí)提供壁面吸附力。本設(shè)計(jì)的MC－ROV “一機(jī)多用”電機(jī)利用率高;采用模塊化設(shè)計(jì)，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(shí)用性強(qiáng)，適用范圍廣。

ROV的結(jié)構(gòu)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(yùn)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(shè)備儀器，且框架可以起到圍護(hù)、支承和保護(hù)其部件的作用［4］。綜合考慮以上因素及本設(shè)計(jì)模態(tài)切換模塊的運(yùn)動特點(diǎn)，MC－ROV 本體的結(jié)構(gòu)形式選用開架式。

1.4.3 動力系統(tǒng)的布置

ROV 是在空間運(yùn)動的物體，6個(gè)自由度的運(yùn)動至少需配備6個(gè)推進(jìn)器;但是一般進(jìn)退、潛浮和轉(zhuǎn)首3個(gè)自由度的運(yùn)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(shè)計(jì)來保證。

推進(jìn)器的布置應(yīng)考慮以下原則［5］:1)盡可能使3 軸的合力交匯于一點(diǎn)，這一點(diǎn)應(yīng)盡可能的接近載體的重心;2)推進(jìn)器的重量在水下機(jī)器人中占有較大的比重，小型水下機(jī)器人應(yīng)盡可能減少推進(jìn)器的數(shù)量;3)推進(jìn)器的布置應(yīng)當(dāng)使其軸線平行于動坐標(biāo)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(shè)計(jì)方案如下:MC－ROV 由5個(gè)推進(jìn)器提供浮游動力，2個(gè)縱向推進(jìn)器同轉(zhuǎn)速可進(jìn)退，差速可轉(zhuǎn)首運(yùn)動;3個(gè)垂向推進(jìn)器同轉(zhuǎn)速可升沉，首尾2個(gè)垂向推進(jìn)器差速可調(diào)縱搖姿態(tài)，為載體進(jìn)行壁面爬行做前期準(zhǔn)備;水平推進(jìn)器布置如圖2所示，垂向推進(jìn)器布置如圖3所示。

圖2 水平向推進(jìn)器布置Fig.2 The arrangement of horizontal thrusters

圖3 垂直向推進(jìn)器布置Fig.3 The arrangement of vertical thrusters

1.4.4 結(jié)構(gòu)布局

ROV 本體主要是一個(gè)能夠攜帶各種視覺傳感設(shè)備、檢測裝置、導(dǎo)航設(shè)備、作業(yè)裝置、水下控制器、推進(jìn)器，且能在水下進(jìn)行空間運(yùn)動的載體。在設(shè)計(jì)布局時(shí)需要充分考慮以下問題:1)各模塊和加裝設(shè)備的布置位置對ROV的自穩(wěn)性、操縱性、設(shè)備自身能力的影響;2)零件和設(shè)備的體積需與ROV 本體的設(shè)計(jì)尺寸相適應(yīng)，需考慮到實(shí)體零件安裝的干涉問題;3)載體框架要有足夠的強(qiáng)度來保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定;4)設(shè)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(shè)計(jì)的水下機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。

載體框架作為搭載基礎(chǔ)，是螺栓連接的鋼制矩形框架結(jié)構(gòu);浮體被4個(gè)浮體連接件安裝在載體框架的上部，3個(gè)大圓孔為推進(jìn)器的導(dǎo)流通道;載體框架前部下方安裝有從動輪模塊，2個(gè)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(gè)水下LED照明燈和1個(gè)水下攝像機(jī);載體框架中層首尾對稱布置安裝2個(gè)垂向推進(jìn)模塊，由導(dǎo)管螺旋槳推進(jìn)器以及各種連接零件組成;一對縱向推進(jìn)模塊是由尼龍齒輪驅(qū)動導(dǎo)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(gè)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(jī)器人本體結(jié)構(gòu)布局Fig.4 The structural configuration of the ROV

1.5 MC－ROV 實(shí)體簡介

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

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

2 技術(shù)方案分析

2.1 切換模塊的計(jì)算與強(qiáng)度校核

切換模塊上安裝了3個(gè)推進(jìn)器，靠4個(gè)壓縮彈簧支撐，壓縮彈簧可以在切換模塊向下運(yùn)動時(shí)提供緩沖力，向上運(yùn)動時(shí)提供恢復(fù)力。

為了驗(yàn)證切換模塊的可靠性需對其主要結(jié)構(gòu)的承載力極限進(jìn)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(guān)注整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度信息，并不對螺栓本身進(jìn)行計(jì)算分析。采用Solidworks Simulation 模塊進(jìn)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(shè)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(gè)小孔為固定邊界，把電機(jī)和其連接件以“遠(yuǎn)程荷載”的形式施加到運(yùn)動板上，并且考慮結(jié)構(gòu)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(jì)算結(jié)果如圖7～圖9所示。由圖7 可知，最大應(yīng)力在縱向電機(jī)連接件的外邊緣附近，應(yīng)力最大值為18.913 MPa，小于許用應(yīng)力55.15 MPa。如圖8所示，結(jié)構(gòu)變形最大的位置在縱向電機(jī)附近與垂向電機(jī)連接件的邊緣，變形集中在結(jié)構(gòu)的中部，這是因?yàn)?個(gè)電機(jī)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(gè)螺栓是否能安全承受應(yīng)用的荷載，如圖9所示，圖形中區(qū)域?yàn)榫G色表示螺栓載荷的安全比率大于安全系數(shù)，經(jīng)過計(jì)算，結(jié)構(gòu)中所有的螺栓均安全可靠。

圖7 切換模塊Vonmises 應(yīng)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(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)條件

切換模塊由4個(gè)套在導(dǎo)軌上的壓縮彈簧支撐，可以上下運(yùn)動，進(jìn)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。可以列出方程:

式中:N1為浮游模態(tài)時(shí)模態(tài)切換模塊受到的上部壓力;N2為爬行模態(tài)時(shí)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(shí)，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(shè)計(jì)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(shí)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(shí)切換模塊的受力圖Fig.11 Force analysis of device when crawling

2.2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

考慮到水下機(jī)器人作業(yè)情況，選擇Ⅰ類彈簧(受變負(fù)荷作用次數(shù)在106次以上)［7］，材料選用不銹鋼Cr17Ni7Al，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第30 篇彈簧部分計(jì)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(jì)算與推進(jìn)器的選型

由于水下機(jī)器人以進(jìn)退為主要運(yùn)動，所以以水下機(jī)器人縱向阻力為基準(zhǔn)來估算推進(jìn)器的推力。水下機(jī)器人的阻力包括水下機(jī)器人本體的阻力和纜繩的阻力2個(gè)部分。對于水下機(jī)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(yàn)公式估算求得。

2.3.1 水下機(jī)器人載體阻力的數(shù)值計(jì)算

1)計(jì)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(jì)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(jì)算區(qū)域，沿水下機(jī)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(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用單塊或多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分難度較大，而采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分時(shí)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(gòu)網(wǎng)格劃分;從球到正方體區(qū)域內(nèi)，采用“O 型”網(wǎng)格進(jìn)行劃分，正方體與外圍網(wǎng)格對接，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為1 023 325。

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

2)直航阻力性能數(shù)值計(jì)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(jì)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(jì)算模型標(biāo)準(zhǔn)K- ε 模型，標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)中壓力采用Standard 方式差值，采用一階迎風(fēng)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(shí)的靜壓分布如圖14所示。水下機(jī)器人直航時(shí)，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(jī)器人總阻力的估算與推進(jìn)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(gè)推進(jìn)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(jì)算結(jié)果，以及MC-ROV的工作狀態(tài)，本文選取hp 推進(jìn)器，其基本參數(shù)如表4所示。

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

3 結(jié) 語

本文主要設(shè)計(jì)了一種可以浮游與爬壁自由切換的帶纜遙控水下機(jī)器人(MC-ROV)，其活動范圍廣，可以進(jìn)行浮游勘察和爬行清污作業(yè)。詳細(xì)系統(tǒng)介紹了其設(shè)計(jì)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(jìn)行了有限元計(jì)算，結(jié)果表明其強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。分析了模態(tài)切換時(shí)切換模塊的受力，對壓縮彈簧進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)MC-ROV的航行阻力，確定了推進(jìn)系統(tǒng)的布置方案和推進(jìn)器的選型。計(jì)算分析為MC-ROV 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了前期論證并為其進(jìn)一開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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