基于主從機(jī)協(xié)同工作的模塊化水下機(jī)器人

張賀華 張寶枚 劉甜甜*

（1 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南，250061；2 山東大學(xué)工程訓(xùn)練中心，濟(jì)南，250002）

0 引言

ROV,即水下機(jī)器人,海洋中所用的ROV 又稱為Remotely Operated Underwater Vehicle。在海洋開發(fā)需求牽引和相關(guān)技術(shù)發(fā)展驅(qū)動下，ROV 呈現(xiàn)出“大深度化、高性能化、電動化、專業(yè)化、模塊化、協(xié)同化”六個方向的發(fā)展趨勢。模塊化的趨勢要求ROV 在設(shè)計和研發(fā)中，ROV 的各種關(guān)鍵配件要逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、產(chǎn)業(yè)化，做到關(guān)鍵配件“即插即用”式安裝和更換，并且隨著各類水下機(jī)器人應(yīng)用的不斷增多，需要ROV 與其他類型水下裝備協(xié)同作業(yè)，共同完成更加復(fù)雜的任務(wù)，提高作業(yè)效率[1]。

在教育部教指委新工科KAPI 教學(xué)研究項目“水中機(jī)器人系列創(chuàng)新設(shè)計一體化培養(yǎng)”的支持下，經(jīng)過水中機(jī)器人系列創(chuàng)新課程與KAPI 工程訓(xùn)練的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，筆者團(tuán)隊設(shè)計了一款基于主從機(jī)協(xié)同工作的模塊化水中機(jī)器人?；凇澳K化”和“協(xié)同化”的ROV 發(fā)展趨勢要求，機(jī)器人采用無差別的對接機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)、各從機(jī)之間、以及各從機(jī)和各功能部件之間的模塊化對接和分離，并通過基于Python 的集群控制算法實(shí)現(xiàn)主機(jī)從機(jī)的協(xié)同工作。機(jī)器人的主機(jī)和從機(jī)之間采用有纜式的通信方式，充分保證水下主、從機(jī)間信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。同時，主、從機(jī)之間沿通信纜繩包裹有獨(dú)立的輸電線和輸料管，以保障從機(jī)的電源供應(yīng)及所需物料傳輸，并可為從機(jī)的功能拓展提供更多的可能。

1 機(jī)器人設(shè)計思路

機(jī)器人的主機(jī)部分由主控艙體、環(huán)境探測艙體、浮懸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及從機(jī)安置艙室共四部分組成，主機(jī)作為總控起到上承下達(dá)、增強(qiáng)續(xù)航、擴(kuò)大探測范圍等功用；從機(jī)部分采用模塊化設(shè)計，共分為“驅(qū)動模塊”、“聯(lián)接模塊”、“功能模塊”3 種模塊水中機(jī)器人。每種模塊機(jī)器人整體均呈盒狀，正面、反面、頂面、底面及兩個側(cè)面共6 個方位面均有對接機(jī)構(gòu)聯(lián)接頭，可實(shí)現(xiàn)任意多從機(jī)的6 個方位面聯(lián)接。每種模塊機(jī)器人均由2 個嵌在前機(jī)身內(nèi)上下貫通的推進(jìn)器、2 個嵌在后機(jī)身內(nèi)斜向后貫通的推進(jìn)器組成。功能組件末端均有和機(jī)身完全相同的聯(lián)接頭，可同任意模塊機(jī)器人的任意方位面的聯(lián)接頭相聯(lián)接。目前功能模塊有（但不僅限于）機(jī)械爪、切割刀具、拉網(wǎng)卡扣等市面上已有的可用于水下的各種執(zhí)行模塊，還可附加用于照明、探測等各種傳感檢測模塊。

水下機(jī)器人運(yùn)動控制的主要參數(shù)是深度、高度、航行速度、航向角及位置等。水下機(jī)器人任意一個自由度的運(yùn)動都和其他自由度運(yùn)動有關(guān)，即在6 個自由度之間存在交叉耦合，這也是水下機(jī)器人控制的主要難點(diǎn)之一。

筆者為了討論問題方便，考慮到水下機(jī)器人在垂直面和水平面之間的耦合很小，故分別考慮垂直面和水平面運(yùn)動，因?yàn)闄C(jī)器人的最基本運(yùn)動方式是保持或改變航向、保持或改變深度。當(dāng)改變航向時，機(jī)器人重心在水平面內(nèi)運(yùn)動；當(dāng)改變深度時，其重心在垂直面內(nèi)運(yùn)動。此處，對高度、航行速度、航向角及位置參數(shù)采用單回路閉環(huán)控制，而不考慮各自由度之間的耦合。

該機(jī)器人的控制主要通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，采用基于Python的控制算法，使4個推進(jìn)器能夠在水下實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、后退、上浮、下潛功能，推動機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)動作。樣機(jī)以切割水草、清理運(yùn)輸為主要功能，主機(jī)和從機(jī)間可實(shí)現(xiàn)自由對接。

圖1 水下機(jī)器人裝置圖

2 機(jī)器人設(shè)計與計算

2.1 螺旋槳空間布局

機(jī)器人推進(jìn)器采用的是防水抗壓的螺旋槳推進(jìn)器，為保證水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)機(jī)器人六自由度的運(yùn)動，能夠有效且自如地在水中游走，理論上需要布置4 個螺旋槳推進(jìn)器。采用的推進(jìn)器布局如圖 2 所示，螺旋槳推進(jìn)器均布置在機(jī)器人側(cè)板中心線上，在水平和豎直的推進(jìn)方向上各設(shè)置一對推進(jìn)器，其中水平推進(jìn)的螺旋槳布置在機(jī)器人兩側(cè)。水平推進(jìn)的螺旋槳作為主要的動力裝置，通過兩側(cè)同時正反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)和后退動作，并通過其差速轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在水下的轉(zhuǎn)向。豎直推進(jìn)的螺旋槳則作為浮力裝置，主要通過兩側(cè)同時的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)水中機(jī)器人的上浮和下潛動作。

圖2 螺旋槳布局俯視圖

傳動軸及槳葉外有 PVC 環(huán)罩保護(hù)，可防止在野外作業(yè)時被水草纏繞。

螺旋槳輸出推力T的計算式[2]為：

2.2 機(jī)器人沉浮控制計算

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在水下自然狀態(tài)保持懸停，需對機(jī)器人進(jìn)行重力平衡，本文主要采用配重法。根據(jù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，配重分別安排在機(jī)器人的前后橫梁的左右兩側(cè)，采用磁鐵片和普通鐵片進(jìn)行配重的調(diào)整，同時在局部位置通過捆綁浮力板，實(shí)現(xiàn)整體的重力平衡。

為減少機(jī)器人的螺旋槳使用個數(shù)以降低成本，筆者在垂直方向上采用單向的推力進(jìn)行驅(qū)動，即在該種控制條件下，自然狀態(tài)機(jī)器人將緩慢下沉至水池池底，只有螺旋槳提供推力時才能保證機(jī)器人在水下懸停。

計算公式如下：

其中，M是水下機(jī)器人機(jī)體的總體質(zhì)量，m是平衡配重的質(zhì)量，T是螺旋槳輸出推力。

由上可近似計算出機(jī)器人在水中懸停時所需要的螺旋槳輸出推力，進(jìn)而求出提供該推力所需要的螺旋槳轉(zhuǎn)速，該值作為編程時的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速值。

2.3 機(jī)器人對接機(jī)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器人的對接機(jī)構(gòu)是一種“轉(zhuǎn)盤—空間凸輪”的抱爪式對接機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。

每個模塊化水下機(jī)器人都具有兩個對接機(jī)構(gòu)，位于模塊化水下機(jī)器人的兩側(cè)，分別為主動對接機(jī)構(gòu)和目標(biāo)對接機(jī)構(gòu)。目標(biāo)對接機(jī)構(gòu)為工字形的柱狀體。在主動對接機(jī)構(gòu)中，空間凸輪固定在機(jī)器人外殼表面，內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)與轉(zhuǎn)盤驅(qū)動柱固定，轉(zhuǎn)盤內(nèi)四個方位的抱爪通過圓柱銷與轉(zhuǎn)盤上的吊耳鉸接。在松弛狀態(tài)下，抱爪尾部位于空間凸輪曲面輪廓的最低處，抱爪處于張開狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)接收到指令后逆時針旋轉(zhuǎn)（記為正轉(zhuǎn)），帶動轉(zhuǎn)盤使抱爪尾部沿著空間凸輪曲面斜坡滑動至最高處的平臺，此時抱爪收束以抓取目標(biāo)對接機(jī)構(gòu)（工字形的柱狀體）完成對接操作。步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)即可完成對接解除操作。該裝置原理清晰明確，能夠滿足機(jī)器人對接機(jī)構(gòu)模塊化和輕量化的要求，且穩(wěn)定可靠，適用于機(jī)器人的水下工作環(huán)境。

圖3 主從機(jī)對接機(jī)構(gòu)設(shè)計圖

在樣機(jī)中，該對接機(jī)構(gòu)僅用作主機(jī)和從機(jī)的對接，但該機(jī)構(gòu)可以擴(kuò)展使用在從機(jī)與從機(jī)、從機(jī)上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊和從機(jī)的對接。該種對接機(jī)構(gòu)的主要問題在于：要區(qū)分公母頭，且體積較大，如何實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的對接（包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和傳感控制兩個方面）是未來需要進(jìn)一步改進(jìn)的方向。魏洪興團(tuán)隊設(shè)計的自組裝模塊化群體機(jī)器人Sambot[3]，其對接機(jī)構(gòu)的設(shè)計和自組裝的控制可提供良好的借鑒。

圖4 主從機(jī)對接機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

2.4 機(jī)器人功能模擬設(shè)計

例如，機(jī)器人前部安裝兩根塑料管道，通過主、從機(jī)間的線纜將主機(jī)上氣泵產(chǎn)生的噴射氣體輸送過來，進(jìn)行水下管道表面附著物的清理。同時，該結(jié)構(gòu)設(shè)計亦可用于從主機(jī)輸送如特種表面涂層材料或特種速凝混凝土等物質(zhì)，用來進(jìn)行水下管道表面噴涂或者水下混凝土建筑構(gòu)建。機(jī)器人底部加裝車輪，可以模擬機(jī)器人在較平坦的陸地或海床以輪式前進(jìn)。機(jī)器人前部安裝刀片，可以模擬機(jī)器人進(jìn)行水草切割、管道切割等作業(yè)。

圖5 水下機(jī)器人功能模擬圖

3 機(jī)器人制作與調(diào)試

筆者團(tuán)隊首先利用激光切割進(jìn)行側(cè)板、上甲板、主控倉以及各種端蓋的制作，在鉗工車間對主控室、連接蓋、固定端蓋的粘接與鉆孔進(jìn)行攻絲，在普車加工支撐軸。之后，團(tuán)隊在銑床上對上甲板進(jìn)行鏤空處理，分別完成電機(jī)連接軸銅棒的鑄造、刀片的鍛造，在普車、銑床、電加工完成電機(jī)連接軸、刀片的加工，完成連接件的焊接、折彎與螺旋槳葉片、軸套的打印。最后，對各部件進(jìn)行裝配，機(jī)體配平聯(lián)調(diào)。

整機(jī)下水測試，預(yù)定功能目標(biāo)均順利實(shí)現(xiàn)[4]。

圖6 水下測試實(shí)拍

4 總結(jié)與展望

筆者團(tuán)隊所設(shè)計制作的基于主、從機(jī)協(xié)同工作的水下機(jī)器人，機(jī)體密封性良好，機(jī)器人可以在水下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動及執(zhí)行等功能，同時通過遙控，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人主機(jī)和從機(jī)的對接與分離，并能夠完成主機(jī)向從機(jī)的輸料以及從機(jī)的噴料過程。下一步，筆者將繼續(xù)改進(jìn)對接機(jī)構(gòu)，拓展機(jī)器人應(yīng)用場景，以期水下機(jī)器人可更廣泛地應(yīng)用于海洋工程場合。