苗亮澤 王瑩瑩 蔣 凱 王 宇 胡華鵬

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022）

新型多模塊水下作業(yè)機(jī)器人

苗亮澤 王瑩瑩 蔣 凱 王 宇 胡華鵬

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022）

海底管線是海上油氣田生產(chǎn)設(shè)施的重要組成部分,在海洋油氣工業(yè)中發(fā)揮著重要作用,必須定期或適時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)以保障其安全運(yùn)營(yíng)。水下機(jī)器人（ROV）以其綜合優(yōu)勢(shì)成為進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)物檢測(cè)的有效載體并被廣泛應(yīng)用。文章介紹了利用ROV進(jìn)行海底管線檢測(cè)的綜合作業(yè)系統(tǒng),以及其他方面的檢測(cè)和工作。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)影響作業(yè)效果的因素進(jìn)行了討論。

水下機(jī)器人；水下觀測(cè)；推進(jìn)器

隨著對(duì)海洋資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，海洋科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)也快速發(fā)展。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)作為海洋科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，為海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源探測(cè)、海洋災(zāi)害預(yù)警提供全面的、多層次的海洋科學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋環(huán)境保護(hù)、保護(hù)人類生命財(cái)產(chǎn)安全也具有非常重要的意義。海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要組成部分，它主要由海洋臺(tái)站、海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)、海洋衛(wèi)星和海洋測(cè)報(bào)船等組成。我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)的方式按照海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成主要分為三類：近岸固定臺(tái)站式觀測(cè)，主要是連續(xù)監(jiān)測(cè)海岸帶的海浪、海溫、潮汐、風(fēng)暴潮以及海洋氣象等海洋現(xiàn)象；對(duì)于 300 平方千米的大區(qū)域海洋監(jiān)測(cè)采用的是投放海洋觀測(cè)浮標(biāo)的方式，以獲取氣象數(shù)據(jù)和海洋表層水文數(shù)據(jù)。

目前海洋無(wú)人智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)的種類主要有：水下遙控機(jī)器人（ROV）、無(wú)人水下自主航行器（AUV）、無(wú)人自主表面船（USV）等，本作品則是研究水下遙控機(jī)器人，使其實(shí)現(xiàn)海洋智能監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)海下取樣工作。

1 總體設(shè)計(jì)

自主設(shè)計(jì)制作的小型有纜水下機(jī)器人。首先根據(jù)設(shè)計(jì)目的、工作需求利用Solid Works對(duì)ROV進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、零件建模、裝配模型的數(shù)值模擬，并進(jìn)行有限元分析及運(yùn)動(dòng)分析。再進(jìn)行材料的購(gòu)買，動(dòng)手制作實(shí)物。此ROV主要由控制系統(tǒng)，推進(jìn)系統(tǒng)，視頻系統(tǒng)，作業(yè)系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成。

主體參數(shù)：

（1）排水量：17kg

（2）最大作業(yè)半徑：30m

（3）最大下潛深度：30m

（4）設(shè)計(jì)航速：1kn

圖1　ROV模塊分布示意圖

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1推進(jìn)模塊

推進(jìn)系統(tǒng)使用的是自主設(shè)計(jì)研發(fā)的推進(jìn)器，以兩個(gè)沉浮推進(jìn)器和兩個(gè)水平推進(jìn)器為主，推進(jìn)器所用的電機(jī)型號(hào)為775電機(jī)。推進(jìn)器采用的是特制的金屬外殼來(lái)進(jìn)行防水。沉浮推進(jìn)器選用110mm合適口徑的導(dǎo)流罩，以提升推進(jìn)器的推進(jìn)效率。兩個(gè)沉浮推進(jìn)器通過(guò)同向、同速、同功率來(lái)控制ROV的上升、下潛以及懸浮。而兩個(gè)水平推進(jìn)器則通過(guò)調(diào)節(jié)單個(gè)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速和功率進(jìn)行差速運(yùn)動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)ROV前后運(yùn)動(dòng)及左右轉(zhuǎn)彎，而且能做到原地360度旋轉(zhuǎn)。具有多個(gè)自由度推進(jìn)系統(tǒng)使ROV能在更加狹小與復(fù)雜的水下環(huán)境中工作。

圖2　推進(jìn)器防水設(shè)計(jì)三維設(shè)計(jì)圖

表1　推進(jìn)器功率和推力測(cè)試

2.2視頻模塊

視頻系統(tǒng)主要由四個(gè)高清攝像頭，LED燈以及控制箱上的顯示屏組成。四個(gè)攝像頭分別觀測(cè)機(jī)器人前方、上方、后方和機(jī)械手工作區(qū)域。采用同軸線傳輸視頻信號(hào)，利用一條視頻線同時(shí)傳輸四個(gè)視頻信號(hào)。同軸線視頻傳輸與雙絞線相比具有抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，安裝費(fèi)用低，維護(hù)成本低，安裝簡(jiǎn)單，擴(kuò)充方便。能夠較為及時(shí)的將信號(hào)傳至控制系統(tǒng)。控制箱內(nèi)的顯示屏可同時(shí)顯示四個(gè)圖像，也可放大單個(gè)圖像并相互切換。從而清晰地觀測(cè)水下場(chǎng)景，方便ROV進(jìn)行作業(yè)。攝像頭和LED燈均安裝在亞克力防水外殼內(nèi)，其良好的防水性能可以保證該系統(tǒng)的正常運(yùn)行。另外此ROV還可以搭載一些水下環(huán)境監(jiān)測(cè)的其它儀器，例如水溫測(cè)試儀、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀等。

周邊的各地區(qū)都想發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)，但許多項(xiàng)目扎堆建設(shè)，缺乏管理規(guī)劃。洞庭湖地區(qū)雖然各種資源豐富，文化底蘊(yùn)雄厚宜打造文化之旅，旅游相關(guān)配套設(shè)施正在建設(shè)，但招牌口碑未形成集群，對(duì)游客吸引力欠缺。同時(shí)當(dāng)?shù)鼐用袢狈茖W(xué)保護(hù)觀念，開(kāi)發(fā)同時(shí)造成了生態(tài)的破壞，加之受周圍河湖氣候變化和人類活動(dòng)等的影響，低枯水位期提前，年入湖水量大幅減少，萎縮日益明顯；化學(xué)肥料排放增加，“三農(nóng)”問(wèn)題突出，湖體自凈能力降低，水質(zhì)呈中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，居民飲水安全受到嚴(yán)重威脅；同時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施滯后，地方財(cái)力薄弱，鎮(zhèn)化水平不高，使湖區(qū)變成相對(duì)落后地區(qū)。

2.3作業(yè)模塊

ROV的電動(dòng)機(jī)械手采用減速電機(jī)作動(dòng)力，通過(guò)齒輪螺桿傳動(dòng)來(lái)完成夾持動(dòng)作。氣動(dòng)式和電動(dòng)式的都是自帶動(dòng)力的，氣動(dòng)式的需要?dú)庠矗仨氁锌諌簷C(jī)或者有空壓機(jī)站供給氣源。而電動(dòng)式機(jī)械手則不需要?dú)庠?，比起氣?dòng)機(jī)械手使用更加方便、省力，控制上更加穩(wěn)定。

機(jī)械爪采用雙曲柄的平行四邊形機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)的對(duì)邊長(zhǎng)度相等，組成平行四邊形，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副均為整轉(zhuǎn)副。當(dāng)桿1作等角速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，桿2也以相同角速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿3則作平移運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的張合。

圖3　機(jī)械手設(shè)計(jì)原理示意圖

通過(guò)控制機(jī)械手開(kāi)合，可以實(shí)現(xiàn)水下抓取，采集樣本、打撈和輔助管道鋪設(shè)等任務(wù)。機(jī)械手通過(guò)纜線與下位機(jī)相連，通過(guò)上位機(jī)的電位器可以控制機(jī)械手的張合，還能調(diào)節(jié)張合的速度快慢。

2.4控制模塊

控制箱中顯示屏、控制面板均由尼絨柱進(jìn)行固定?？刂葡涞挠覀?cè)開(kāi)孔以供與水下機(jī)器人線路連接。

控制面板包含五個(gè)電位器旋鈕（上左控沉浮推進(jìn)器、上中控LDE燈、上右控機(jī)械手、下左控左推進(jìn)器、下右控右推進(jìn)器），另外還有兩個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)（左：上位機(jī)，右：下位機(jī)）和一個(gè)鑰匙開(kāi)關(guān)（沉浮與側(cè)推）進(jìn)行供斷電。控制箱內(nèi)部含有視頻四路分割器、四路視頻復(fù)用器、排插、12V轉(zhuǎn)5V變壓器、四塊3S鋰電池，上位機(jī)。

3 應(yīng)用展望

3.1降低海底檢測(cè)難度

ROV檢測(cè)技術(shù)是水下無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重要手段，它極大豐富了水下無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容。海上油氣開(kāi)采深度增加和水下作業(yè)難度的提高對(duì)水下無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提出越來(lái)越高的要求，ROV檢測(cè)技術(shù)將是水下無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ROV檢測(cè)技術(shù)將推陳出新，日臻成熟，在海洋工程結(jié)構(gòu)的水下無(wú)損檢測(cè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。而該系統(tǒng)搭載的定位系統(tǒng)可準(zhǔn)確定位出ROV工作區(qū)域，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ROV的工況，避免出現(xiàn)事故。

3.2可應(yīng)用于海底管道鋪設(shè)與監(jiān)測(cè)

在湖泊水庫(kù)檢測(cè)時(shí)， ROV進(jìn)行水下部分的檢測(cè)，保障水庫(kù)水下建筑的安全性，對(duì)湖泊地勢(shì)評(píng)估。ROV對(duì)水質(zhì)的檢測(cè)保證了飲用水的安全。目前國(guó)家正在大力開(kāi)發(fā)海洋資源，設(shè)計(jì)出這種小型即可進(jìn)行水下檢測(cè)，又可以輔助管道鋪設(shè)的水下機(jī)器人，對(duì)水下資源的開(kāi)發(fā)利用有極大的幫助，尤其是在油氣資源充足的地方，水下管道的鋪設(shè)與檢修將是工作的重中之重。

4 控制方式的創(chuàng)新

水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)其水下作業(yè)的關(guān)鍵,也是底層控制系統(tǒng)的重要部分。本機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)下沉、上浮、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)三個(gè)自由度的水下運(yùn)動(dòng)，使用價(jià)廉實(shí)用的開(kāi)發(fā)板，自己編程控制將程序拷入開(kāi)發(fā)板，通過(guò)電位器控制機(jī)器人的水下運(yùn)動(dòng)以及機(jī)械手的工作。擺脫了傳統(tǒng)的電腦控制方式，將控制程序拷入開(kāi)發(fā)板中自制控制箱，方便控制。

5 結(jié)語(yǔ)

ROV可以搭載測(cè)量模塊進(jìn)行水下檢測(cè)，通過(guò)多個(gè)攝像頭觀測(cè)水下?tīng)顩r，還可以用機(jī)械手的夾取動(dòng)作完成簡(jiǎn)單的樣本采集。打撈物品時(shí)由ROV進(jìn)行水下探測(cè)，確定作業(yè)的確切位置，并進(jìn)行周遭環(huán)境探測(cè)。ROV的沉浮和水平推進(jìn)器協(xié)同運(yùn)作，操作人員通過(guò)控箱上的顯示屏控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)至需要檢測(cè)位置，水平推進(jìn)停止運(yùn)作，控制沉浮推進(jìn)器推力實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在水中懸浮。機(jī)械手張合能夠穩(wěn)固的夾取物件，擷取樣本。并將物件放至合適的位置。若發(fā)現(xiàn)需打撈物品，可直接由ROV利用機(jī)械手夾持，將所需物品撈回岸上。

圖4　ROV實(shí)物圖

本作品亦可運(yùn)用于海洋監(jiān)測(cè)。其不僅可以運(yùn)用于水上檢測(cè)，對(duì)于海洋監(jiān)測(cè)也具有天然的優(yōu)勢(shì)。ROV具有靈活的大深度水下運(yùn)動(dòng)能力，裝備先進(jìn)的水下動(dòng)力、控制和機(jī)械系統(tǒng),能在潛水員不能到達(dá)的深度與不安全的環(huán)境下進(jìn)行水下檢測(cè)和其它水下作業(yè)。ROV檢測(cè)技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、安全、工作效率高、作業(yè)深度大，并能在惡劣的環(huán)境下作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，在海洋工程結(jié)構(gòu)的水下無(wú)損檢測(cè)中得到廣泛重視。同時(shí)，海洋石油工業(yè)正在向深海區(qū)域發(fā)展，對(duì)水下無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，為了提高效率,降低成本，海洋工程結(jié)構(gòu)的水下無(wú)損檢測(cè)越來(lái)越趨向于使用ROV檢測(cè)技術(shù)。

[1] 李岳明.多功能自主式水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.

[2] 劉建成,萬(wàn)磊,戴捷,等.水下機(jī)器人推力器容錯(cuò)控制技術(shù)的研究[J].機(jī)器人,2003,(2):2-3.

[3] 金志賢.水下機(jī)器人推進(jìn)器故障診斷技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2006.

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New type of underwater robot more modules

the offshore pipeline is an important component of the offshore oil and gas production facilities, plays an important role in the Marine oil and gas industry, must be tested on a regular basis or for its timely in order to ensure its safe operation. Underwater vehicle (ROV) with its comprehensive advantages become effective carrier of the detection of underwater structures and widely used. This paper introduces the use of the ROV for subsea pipeline detection of integrated operation system, and other aspects of testing and work. According to practical experience, discussed the factors affecting the operation effect.

Underwater robot; underwater observation; propeller

TE5

A

1008-1151(2015)09-0018-02

2015-08-13

浙江海洋學(xué)院2015年度大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（XJ201521）。

苗亮澤（1996－），男，河北邯鄲人，浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院學(xué)生，從事船舶和水下機(jī)器人方面的研究。