水下魚池清刷機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

黃 達(dá)，倪 琦，胡勇兵，李金剛，程斌斌

(1上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306；2 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖魚池材質(zhì)一般為混凝土或玻璃鋼，其規(guī)格大小一般有直徑6 m的圓形池或邊長(zhǎng)3 m的方切角池等。其中，玻璃鋼材料表面積大且耐磨，其內(nèi)表面光滑可減少對(duì)魚的損傷，也能避免微生物附著，容易清洗。目前魚池清刷主要分3個(gè)階段：其一，養(yǎng)魚前需要對(duì)魚池清刷消毒；其二，導(dǎo)池分池階段對(duì)魚池進(jìn)行清刷排污；其三，養(yǎng)魚結(jié)束后對(duì)魚池進(jìn)行全面清刷和維護(hù)。這3個(gè)階段目前都需要工人在水下手持板刷清刷魚池，由于池底和池壁光滑，容易出現(xiàn)安全問(wèn)題，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。所以，面向工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖，研究水下魚池清刷機(jī)器人十分必要。

查閱文獻(xiàn)可知，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)水下魚池清刷設(shè)備還沒(méi)有相關(guān)研究，但是水下清刷裝備國(guó)內(nèi)外研究比較早，目前已有相關(guān)產(chǎn)品運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐。郭根喜等[1- 2]針對(duì)深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖網(wǎng)衣堵塞問(wèn)題，運(yùn)用高速水流驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，在反沖擊力的作用下，使固定在工作盤上的清掃刷在網(wǎng)衣表面進(jìn)行摩擦式旋轉(zhuǎn)清洗；國(guó)內(nèi)孟慶鑫等[3- 4]最早開(kāi)始研究水下船體清刷機(jī)器人，設(shè)計(jì)出運(yùn)用磁吸附履帶機(jī)構(gòu)的水下船體清刷機(jī)器人，為船體清刷機(jī)器人研究提供理論基礎(chǔ)；楊強(qiáng)等[5]對(duì)遙控泳池清潔機(jī)工作原理、模型方程以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供研究方法。美國(guó)海軍研發(fā)出水下船體自動(dòng)維修工程車[6]，該維修車不僅可以清刷船體表面，還配有各種傳感器用于檢查清刷質(zhì)量以及鋼板厚度，輔助船舶檢查和保養(yǎng)工作。英國(guó)研究人員設(shè)計(jì)出一款泳池吸污機(jī)[7- 8]，利用履帶式行走裝置可以在池底自主爬行，四周繞行，通過(guò)馬達(dá)將水中沉淀物和懸浮物吸入機(jī)器中，經(jīng)過(guò)過(guò)濾排出干凈水。日本九州大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)了一款可以檢測(cè)清刷效果的水下清刷機(jī)器人[9]，該機(jī)器人攜帶水下攝像機(jī)，通過(guò)照片分析清刷效果。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的水下清刷裝備，設(shè)計(jì)出針對(duì)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖魚池的清刷機(jī)器人，其中包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)控制，建立相關(guān)力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)分析。現(xiàn)階段樣機(jī)試驗(yàn)僅考慮清刷池底，在后期試驗(yàn)中增加對(duì)池壁自主爬行和清刷。清刷機(jī)器人應(yīng)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的路徑完成清刷作業(yè)并開(kāi)展樣機(jī)試驗(yàn)。

1 清刷機(jī)器人工作原理與系統(tǒng)組成

魚池清刷機(jī)器人既要具備清刷運(yùn)動(dòng)又要兼顧行走運(yùn)動(dòng)。清刷原理：電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)清刷機(jī)構(gòu)的刷盤旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)清刷運(yùn)動(dòng)[10]。行走原理：電機(jī)通過(guò)鏈輪帶動(dòng)前導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)清刷機(jī)器人不斷往前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)清刷機(jī)器人在水下要轉(zhuǎn)彎時(shí)，只要滿足兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪差速行駛，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。圖1所示為水下魚池清刷機(jī)器人系統(tǒng)組成，其中，供電系統(tǒng)是動(dòng)力來(lái)源；控制系統(tǒng)控制各個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作；運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和清刷系統(tǒng)執(zhí)行控制指令實(shí)現(xiàn)清刷運(yùn)動(dòng)；傳感器系統(tǒng)收集各種信號(hào)并反饋給控制系統(tǒng)，通過(guò)修正控制指令使清刷機(jī)器人正常工作。

圖1 清刷機(jī)器人系統(tǒng)組成Fig.1 Cleaning robot system

2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)布置

清刷機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪與履帶嚙合，帶動(dòng)導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)向輪將履帶不斷地鋪在地面上。履帶和地面間存在較大的摩擦力，接觸點(diǎn)與地面相對(duì)靜止，可以使驅(qū)動(dòng)輪不斷帶動(dòng)機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)[11]。

O點(diǎn)是機(jī)器人在平地轉(zhuǎn)向的瞬時(shí)圓弧的圓心，由于機(jī)器人自身寬度影響導(dǎo)致兩條履帶瞬時(shí)速度不同，只要滿足兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)向時(shí)差速行駛，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，當(dāng)內(nèi)驅(qū)動(dòng)輪靜止外驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向(圖2)。

注：O點(diǎn)為履帶轉(zhuǎn)向瞬時(shí)圓心；R為轉(zhuǎn)向瞬時(shí)半徑，mm；ω為瞬時(shí)角速度，rad/s；B為小車的車寬，mm；L為履帶的長(zhǎng)度，mm；v1為履帶C1的瞬時(shí)速度，m/s；v2為履帶C2的瞬時(shí)速度，m/s；vc為小車C的瞬時(shí)速度，m/s。

圖2履帶轉(zhuǎn)向示意圖

Fig.2 Track steering diagram

2.2 受力分析與參數(shù)確定

水下魚池清刷機(jī)器人所使用的小型履帶行走裝置，根據(jù)設(shè)計(jì)要求滿足水下行走速度為0.2～0.6 m/s，最大爬坡角為5 °，爬坡速度為0.2～0.4 m/s。由電機(jī)負(fù)載力矩公式[12]：

(1)

電機(jī)轉(zhuǎn)速公式[12]：

(2)

電機(jī)功率[12]：

(3)

式中：Tm—電機(jī)負(fù)載力矩，N·m；M—本體質(zhì)量，kg；a—本體加速度，m/s2；g—重力加速度，m/s2；f—履帶與地面摩擦系數(shù)；?—爬坡角度；rs—驅(qū)動(dòng)輪分度圓半徑，m；i—總傳動(dòng)比；η—總傳動(dòng)效率；v—本體行駛速度，m/s。

3 清刷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 刷頭設(shè)計(jì)

刷頭由刷盤和刷絲組成，為了減輕質(zhì)量及減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，刷盤采用輕質(zhì)鋁合金材料，直徑200 mm；刷絲采用聚丙烯材質(zhì)，通過(guò)編制固定在刷盤孔中，聚丙烯材料抗磨損性能好且耐腐蝕(圖3)。

圖3 刷頭Fig.3 Brush head

3.2 旋轉(zhuǎn)往復(fù)裝置設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)原理：電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與減速器輸出軸連接，減速之后帶動(dòng)清刷機(jī)構(gòu)的刷頭旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能。往復(fù)原理：刷頭在與地面接觸的時(shí)候，彈簧在預(yù)緊力的作用下處于中位，傳動(dòng)軸帶動(dòng)傳動(dòng)桿做軸向運(yùn)動(dòng)，使彈簧進(jìn)一步被壓縮，從而使刷頭沿著清刷面外法線方向運(yùn)動(dòng)[13]。旋轉(zhuǎn)往復(fù)裝置如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)往復(fù)機(jī)構(gòu)Fig.4 Rotary reciprocating mechanism

3.3 受力分析與參數(shù)確定

盤形刷在魚池底部清刷時(shí)所受的阻力矩包括水的粘滯阻力矩、盤形刷的摩擦阻力矩和慣性阻力矩。水的粘滯阻力矩Mv[14]：

(4)

式中：Mv—刷盤受到的粘滯阻力矩，Nm；ρ—水的密度，kg/m3；Rp—刷盤半徑，m；v—運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)；ω—旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

盤形刷的摩擦阻力矩Mf[14]：

(5)

式中：Mf—刷盤所受的摩擦阻力矩，Nm；F1—刷盤對(duì)魚池表面的正壓力，N；f—刷絲與魚池表面間的摩擦系數(shù)，f=0.6；Rb—刷絲分布半徑，m；rb—刷盤無(wú)刷絲部分半徑，m。

(6)

式中：MG—刷盤慣性阻力矩，Nm；J—刷盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ε—刷盤角加速度，r/s2；m—刷盤質(zhì)量，kg；n—刷盤轉(zhuǎn)速，r/s；t—刷盤加速時(shí)間，s。

盤形刷在水下清刷克服總力矩M為：

M=Mv+Mf+MG

(7)

盤形刷總功率P為:

P=Mω

(8)

式中：M—刷盤克服的總力矩，Nm；P—刷盤的總功率，W；ω為刷盤的角速度，rad/s。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)布置

清刷機(jī)器人的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)都裝在密封艙中，整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)部件都集成在機(jī)器人本體上。傳感器系統(tǒng)將收集到的各種信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再發(fā)出相應(yīng)指令協(xié)調(diào)各系統(tǒng)正常工作。由于魚池的規(guī)格和形狀不同，因此機(jī)器人的路徑規(guī)劃采用直線柵格法，即機(jī)器人將所在位置沿直線柵格走一遍，當(dāng)遇到障礙物后再沿固定方向旋轉(zhuǎn)90°直至進(jìn)入下一個(gè)直線中。圖5是水下魚池清刷機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖。

圖5 系統(tǒng)控制框圖Fig.5 System control block diagram

4.2 總體結(jié)構(gòu)與布局

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，利用三維軟件構(gòu)建魚池清刷機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)。其中包括機(jī)器人本體、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、清刷機(jī)構(gòu)、密封艙等(圖6)，左圖為主視圖，右圖為等軸側(cè)視圖。

圖6 清刷機(jī)器人三維模型Fig.6 Cleaning robot 3D model

5 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

5.1 坐標(biāo)系建立

水下清刷機(jī)器人(簡(jiǎn)稱ROV)本體在水下受到多種力和力矩的共同作用。為描述清刷機(jī)器人在其作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，必須建立合適的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，這是為水下清刷機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析提供基礎(chǔ)。根據(jù)造船與輪機(jī)工程學(xué)會(huì)資料，建立描述水下清刷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的兩種坐標(biāo)系：固定坐標(biāo)系E-ξζε和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系O-XYZ(圖7)。在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中ROV的運(yùn)動(dòng)可以表示成沿著三根坐標(biāo)軸的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，即6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)[15]。

圖7 清刷機(jī)器人坐標(biāo)系Fig.7 Cleaning robot coordinate system

運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系是隨著機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O相對(duì)于固定坐標(biāo)系的速度U在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系上的3個(gè)軸向分量依次為縱向速度u、橫向速度v和垂向速度w；機(jī)器人繞坐標(biāo)系原點(diǎn)O的角速度為Ω在坐標(biāo)系上的3個(gè)軸向分量依次為橫向角速度p、縱向角速度q和偏航角速度r；作用在機(jī)器人上的外力F在坐標(biāo)系上面的分量依次為縱向力X、橫向力Y和垂向力Z；外力F對(duì)坐標(biāo)系原點(diǎn)O的力矩M的分量依次為橫搖力矩K、俯仰力矩M和回轉(zhuǎn)力矩N[16]。

5.2 ROV運(yùn)動(dòng)表達(dá)式

水下清刷機(jī)器人(ROV)在水下受到的合力(τ)用式(9)表示[17]：

τ=τc+τr+τd

(9)

式中：τc—機(jī)器人本體產(chǎn)生的力和力矩；τr—水動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的力和力矩；τd—臍帶纜等附加產(chǎn)生的力和力矩。

根據(jù)歐拉定律可推出ROV六自由度運(yùn)動(dòng)方程[18]：

m[v1+v2×v1+v2×rG+v2×(v2×rG)]=τ1

(10)

I0v2+v2×(I0v2)+mrG×(v1+v2×v1)=τ2

(11)

式中：m—本體質(zhì)量；rG—本體重心與坐標(biāo)系距離向量；I0—本體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣;v1—速度向量；v2—角速度向量；τ1—力向量；τ2力矩向量。

ROV在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)同時(shí)受到多個(gè)力和力矩的作用，主要包括水動(dòng)力、靜力、推力[19- 21]。

6 清刷機(jī)器人盤刷清掃性能試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

本試驗(yàn)在中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所如東試驗(yàn)基地開(kāi)展。試驗(yàn)用3口規(guī)格相同長(zhǎng)2.4 m×寬2.4 m的平底方切角混凝土魚池，池底清刷面積為5.4 m2。通過(guò)將臨近養(yǎng)殖池底部懸浮物質(zhì)量濃度較高的養(yǎng)殖水體(約100 mg/L)泵入實(shí)驗(yàn)池，平均水深30 cm。經(jīng)過(guò)8 h的靜置后，池底出現(xiàn)明顯的污染物沉淀層，即開(kāi)始帶水清刷試驗(yàn)，清刷完畢之后再排空水，測(cè)量計(jì)算出未清刷面積。

圖8所示為樣機(jī)正在進(jìn)行水下清刷試驗(yàn)，該試驗(yàn)僅在樣機(jī)機(jī)座尺寸為長(zhǎng)0.4 m×寬0.3 m×高0.15 m，刷盤直徑120 mm的條件下進(jìn)行清刷試驗(yàn)。該試驗(yàn)主要目的是探究前期設(shè)計(jì)的清刷機(jī)器人清刷路徑是否合理，以及在該清刷路徑下影響清刷性能的主要因素。

圖8 樣機(jī)水下清刷試驗(yàn)Fig.8 Prototype underwater cleaning test

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)與電池工作時(shí)間，確定每組試驗(yàn)時(shí)間30 min。試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)中的極差分析法，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值[22]。

本試驗(yàn)不考慮刷盤直徑大小、刷毛材料以及接地壓力等對(duì)清刷效率的影響，只分析刷盤轉(zhuǎn)速和清刷速度兩個(gè)因素對(duì)清刷效率的影響。

6.2 結(jié)果與分析

從表1可以看出，刷盤轉(zhuǎn)速是主要影響因素，在該清刷路徑下其最優(yōu)方案為B3A2，即刷盤轉(zhuǎn)速600 r/min，驅(qū)動(dòng)速度0.4 m/s，此為清刷效率最高的組合方案。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.1 Orthogonal experimental design and results

注：A表示驅(qū)動(dòng)速度，A2表示驅(qū)動(dòng)速度為0.4 m/s；B表示刷盤轉(zhuǎn)速，B3表示刷盤轉(zhuǎn)速為600 r/min

這是因?yàn)樘岣咚⒈P轉(zhuǎn)速可以提高刷盤接地點(diǎn)的絕對(duì)速度，從而減小漏掃區(qū)域；而提高驅(qū)動(dòng)速度，盤刷清刷軌跡寬度變大，導(dǎo)致漏掃區(qū)域增大。由于在該試驗(yàn)中僅考慮驅(qū)動(dòng)速度和刷盤轉(zhuǎn)速對(duì)清刷性能的影響，刷盤直徑、刷毛材料、接地壓力以及清刷路徑都可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，因此在后期試驗(yàn)中需要綜合考慮各個(gè)因素對(duì)清刷性能的影響。

7 結(jié)論

本研究從工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖魚池清刷需求出發(fā)，通過(guò)分析現(xiàn)有水下清刷裝備，研究設(shè)計(jì)水下魚池清刷裝置，分析并計(jì)算出各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，將直線柵格算法運(yùn)用到清刷機(jī)器人的清刷路徑。利用三維軟件建立清刷機(jī)器人三維模型，根據(jù)參數(shù)要求組裝試驗(yàn)樣機(jī)。通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出刷盤轉(zhuǎn)速是影響清刷機(jī)器人清刷性能的主要因素。本水下魚池清刷機(jī)器人現(xiàn)階段的研究只要求清刷池底，在后期研究中要結(jié)合池壁清刷、水下監(jiān)視和水質(zhì)檢測(cè)等；同時(shí)現(xiàn)階段清刷試驗(yàn)只考慮了柵格算法的路徑規(guī)劃，后期將會(huì)結(jié)合其他路徑算法，得出最優(yōu)的清刷路徑，以達(dá)到最優(yōu)的清刷效率。