新型海生物捕撈機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張繼威，于復(fù)生，雋志龍，魏井波，范銀輝

（山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

0 引言

目前在國(guó)內(nèi)海參、海膽等海生物的捕撈工作依舊主要由人力來(lái)完成，這種捕撈方式不僅會(huì)隨著氣溫的降低而增加人工下潛的困難程度，且長(zhǎng)期從事此項(xiàng)工作則會(huì)對(duì)捕撈者自身健康造成影響。近年來(lái)研究人員水下機(jī)器人進(jìn)行了廣泛研究，故在海生物捕撈領(lǐng)域產(chǎn)生了一些海生物捕撈機(jī)器人，但對(duì)其研究主要基于吸取式與手爪抓取式來(lái)進(jìn)行開(kāi)展[1～5]，這兩種捕撈方式只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)海生物順次捕撈，導(dǎo)致其捕撈效率低下。因此，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型海生物捕撈機(jī)器人，該裝置采用履帶輪、螺旋槳混合驅(qū)動(dòng)，通過(guò)拔取式爪手進(jìn)行捕撈工作，此種捕撈方式單次動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)海生物一次性捕撈，該裝置的設(shè)計(jì)不僅為海生物捕撈機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路，且在較為平坦的海域及海洋牧場(chǎng)或是近海養(yǎng)殖區(qū)域應(yīng)用將會(huì)提高海產(chǎn)品的捕撈效率。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見(jiàn)水下機(jī)器人形體結(jié)構(gòu)主要有框架型、流線型兩種[6]，框架型水下機(jī)器人空間布置比較自由，對(duì)水下海生物捕撈與收集來(lái)說(shuō)最為適用。

海生物捕撈機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由履帶輪組件、車架底盤(pán)、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、浮力材料、浮力控制裝置、攝像裝置、電子密封艙、收集筐組件、水下電動(dòng)推桿、車體框架及拔取組件組成，各部件連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 海生物捕撈機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

整體設(shè)計(jì)的工作原理為：當(dāng)裝置開(kāi)始工作時(shí)，通過(guò)推進(jìn)器配合浮力控制裝置使水下機(jī)器人下潛至待工作區(qū)域，通過(guò)上位機(jī)軟件觀察海生物的位置，控制履帶輪移動(dòng)至捕撈區(qū)域，此時(shí)控制豎置電動(dòng)推桿使收集筐降至地面，收集筐組件前蓋固接在車體框架上表面，故此時(shí)筐體與前蓋錯(cuò)開(kāi)空間，舵機(jī)配合電動(dòng)推桿動(dòng)作使拔取爪手完成海生物歸攏及抓取工作，同時(shí)收集筐組件采用柔性蒙皮框底，可以通過(guò)海生物的自重使框底呈凹陷狀，有效防止海生物因海流等因素掉至筐外。

1.1 推進(jìn)系統(tǒng)

傳統(tǒng)水下機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)通常由多螺旋槳推進(jìn)器構(gòu)成，通過(guò)控制核心合理分配推力從而實(shí)現(xiàn)水下推進(jìn)。而對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，工作環(huán)境主要為養(yǎng)殖區(qū)域、海洋牧場(chǎng)或是近海領(lǐng)域，故采用兩組驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)履帶輪實(shí)現(xiàn)水下推進(jìn)，履帶輪不僅可以用于海底越障行走，而且還可以配合浮力材料有效實(shí)現(xiàn)整體配重，此外通過(guò)螺旋槳推進(jìn)器配合浮力控制裝置可以有效實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的上浮及下潛動(dòng)作，浮力控制裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，螺旋槳推進(jìn)器采用雙平行正反槳方式布置，其布置方式及推進(jìn)時(shí)本體受力情況如圖3所示。

圖2 推進(jìn)系統(tǒng)布置圖

圖3 浮力控制裝置結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)裝置開(kāi)始下潛時(shí)，打開(kāi)氣閥，適當(dāng)釋放氣室中的氣體，同時(shí)打開(kāi)水閥使海水進(jìn)入氣室，配合螺旋槳推進(jìn)器使機(jī)器人下潛，當(dāng)裝置沉到水底時(shí)，再打開(kāi)氣閥適當(dāng)釋放氣室中的氣體，使機(jī)器人減小浮力，從而增加其穩(wěn)定性，在機(jī)器人捕撈完成上浮時(shí)，打開(kāi)電磁三通閥，而后打開(kāi)水閥，使高壓氣體充滿氣室，增大浮力，從而配合螺旋槳推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)上浮動(dòng)作。

1.2 關(guān)鍵部件校核

電子密封艙是裝載水下機(jī)器人控制系統(tǒng)和電子元器件的重要部件，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性必須滿足要求[7，8]，當(dāng)耐壓殼體發(fā)生屈曲失穩(wěn)時(shí)，其主應(yīng)遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力[9]，故應(yīng)重點(diǎn)校核其穩(wěn)定性。而對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，基于圓柱形耐壓殼因其良好的承載能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及高的空間利用率等特點(diǎn)[10，11]，選用圓柱形電子密封艙，其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。因電子密封艙兩端采用圓形端蓋及法蘭密封，法蘭的設(shè)置增強(qiáng)了端蓋的穩(wěn)定性，故重點(diǎn)通過(guò)理論計(jì)算及有限元分析校核其艙體穩(wěn)定性。

圖4 電子密封艙結(jié)構(gòu)圖

耐壓殼體的壁厚和殼體長(zhǎng)度決定了抗失穩(wěn)能力的大小[12]，考慮到密封艙空間及端蓋處采用螺栓固定等問(wèn)題，初步設(shè)計(jì)艙體壁厚δ為5mm，外徑D為160mm，長(zhǎng)度L為300mm。受外力的圓柱型殼體可分為長(zhǎng)圓筒與短圓筒[13]，通過(guò)代入判別公式求得Lcr為1059mm，由此可知該艙體為短圓筒。

對(duì)于短圓筒來(lái)說(shuō)，需考慮邊界條件對(duì)臨界壓力的影響[14]，現(xiàn)有的簡(jiǎn)化公式的計(jì)算結(jié)果雖然可以滿足工程要求，但都是基于鋼材的泊松比進(jìn)行簡(jiǎn)化的，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)材料選用為有機(jī)玻璃，其泊松比為0.38，彈性模量為3000MPa，波形n取3，采用Mises公式進(jìn)行計(jì)算。

該裝置最大設(shè)計(jì)深度為50 m，故工作壓力P取0.5MPa，根據(jù)英國(guó)勞氏規(guī)范取安全系數(shù)為2.5，則0.83/0.5≈1.66＜2.5，故不符合安全要求，則取艙體壁厚為6mm，求得臨界壓力Pcr=1.39MPa，則1.39/0.5≈2.78＞2.5，故符合安全要求。

進(jìn)一步通過(guò)有限元軟件分析艙體的穩(wěn)定性。將有機(jī)玻璃材料屬性添加至材料庫(kù)，網(wǎng)格大小設(shè)置為2mm，網(wǎng)格單元選擇六面體solid186單元，通過(guò)掃略方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到艙體兩端通過(guò)螺栓與端蓋進(jìn)行固定，則邊界條件設(shè)置為兩端簡(jiǎn)支約束，即除一端留有軸向位移外其他自由度均約束，對(duì)艙體外表面施加0.5Mpa壓力，進(jìn)行特征值屈曲分析求得一階模態(tài)變形云圖如圖5所示。

圖5 艙體特征值屈曲分析

由圖5可以看出，失穩(wěn)時(shí)最大位移發(fā)生在艙體中部，且出現(xiàn)褶皺，波形為3個(gè)，符合短圓筒側(cè)向失穩(wěn)特征，最大位移值仍在材料的延伸極限內(nèi)，其臨界壓力為2.937×0.5=1.46Mpa，與理論計(jì)算值較為接近。

非線性屈曲分析較線性屈曲分析考慮了邊界條件、初始缺陷以及材料非線性等因素，結(jié)果更具有工程意義[15]，故引用特征值屈曲分析一階模態(tài)作為結(jié)構(gòu)缺陷，取缺陷因子為0.1，進(jìn)行非線性屈曲分析，為減小計(jì)算量，且保證仿真結(jié)果的精確性，步長(zhǎng)設(shè)置為10，子步設(shè)置為200，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 非線性屈曲分析變形曲線

當(dāng)壓力達(dá)到了1.41MPa時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，即此處發(fā)生失穩(wěn)，故其臨界壓力為1.41MPa，此結(jié)果更接近于理論計(jì)算結(jié)果。綜上分析，通過(guò)有限元分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，證明了有限元分析的可靠性，且通過(guò)結(jié)果可以看出艙體穩(wěn)定性滿足要求。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人的核心是其控制系統(tǒng)，需要具有通信、傳感器信息采集及運(yùn)動(dòng)控制等功能[16～18]。本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)分為水上控制部分及水下控制部分，其中水上控制部分由上位機(jī)、遙控手柄、電量檢測(cè)模塊、蓄電池、上電力載波模塊及圖像顯示卡組成，水下控制部分由主MCU、電源模塊、下電力載波模塊、傳感器模塊、照明觀測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊及執(zhí)行模塊組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，其主控制程序流程如圖8所示。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 主控制程序流程圖

MCU采用ARM Cortex-A53主控STM32F407從控式嵌入式系統(tǒng)，其主要負(fù)責(zé)傳感器的采集數(shù)據(jù)及濾波、機(jī)器人本體姿態(tài)控制、照明燈控制及上位機(jī)通訊等工作。其中STM32F407系列單片機(jī)內(nèi)部封裝有多個(gè)定時(shí)器，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器輸出PWM波經(jīng)電調(diào)模塊驅(qū)動(dòng)舵機(jī)、螺旋槳推進(jìn)器及驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，經(jīng)I/O口驅(qū)動(dòng)芯片TB6612、L9352B實(shí)現(xiàn)電動(dòng)推桿及電磁閥的控制。

蓄電池通過(guò)電量檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)零浮力線纜接電源模塊實(shí)現(xiàn)水下供電。

傳感器模塊主要負(fù)責(zé)水下實(shí)時(shí)狀態(tài)信息采集。其中MPU9250傳感器內(nèi)部集成了三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器及三軸磁力計(jì)，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；壓力傳感器選用MS5837，其提供高精度24位壓力和溫度數(shù)學(xué)傳輸，且防水性能優(yōu)異；溫濕度傳感器選用DHT11，其具有高的可靠性和穩(wěn)定性。MPU9250傳感器、壓力傳感器及濕度傳感器經(jīng)I2C總線及單總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3 結(jié)語(yǔ)

基于目前海生物捕撈領(lǐng)域存在的問(wèn)題，以實(shí)用性及提高捕撈效率為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新型履帶式海生物捕撈機(jī)器人，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了闡述，通過(guò)對(duì)該裝置的關(guān)鍵部件校核，確保了海生物捕撈機(jī)器人水下安全運(yùn)行。

本設(shè)計(jì)提出了一種新型捕撈形式，且解決了海生物捕撈領(lǐng)域存在的難題，為海生物捕撈機(jī)器人的研究提供了一個(gè)新的研究平臺(tái)，并為其發(fā)展提供了一定的參考作用。目前國(guó)內(nèi)海生物捕撈機(jī)器人的研究仍處于初期階段，下一步將在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)進(jìn)行自主目標(biāo)識(shí)別控制的應(yīng)用，從而進(jìn)一步提高其自動(dòng)化程度。