作業(yè)級ROV結(jié)構(gòu)介紹

典型作業(yè)級ROV結(jié)構(gòu)介紹前言地球上海洋面積為3.6億平方公里，約占地球表面的71.8%，是生命的搖籃、資源的寶庫，人類可持續(xù)發(fā)展的源泉。進(jìn)入21世紀(jì)后，重視海洋、探索海洋、研究海洋、開發(fā)海洋，以及保護海洋成為全球各國的重要課題。我國十八大提出了海洋強國戰(zhàn)略，國家發(fā)改委等4部委近日下發(fā)《關(guān)于印發(fā)海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略（2011－2020）的通知》，推動海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國家“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項也將全海深（最大工作深度11000米）潛水器研制及深海前沿關(guān)鍵技術(shù)作為重點攻關(guān)方向。水下機器人是一種具有人的一部分或大部分功能，能夠在海洋環(huán)境下代替人進(jìn)行某種作業(yè)的自動控制裝置。通常是依靠電纜提供的動力或自身攜帶的能源驅(qū)動，載體上裝有推進(jìn)器在水下做三維空間運動，并可裝設(shè)照明、攝像、聲納等觀測設(shè)備，多種傳感器及用來完成某些作業(yè)的機械手和作業(yè)工具。水下機器人大致可分為三類：有纜遙控水下機器人ROV、自治水下機器人AUV、載人潛水器HOV，最近國外如美國伍茲霍爾海洋研究所研究一款混合水下機器人HROV。ROV根據(jù)用途不同又分為觀察型、調(diào)查型、作業(yè)型，就不再展開講，本文以下內(nèi)容以作業(yè)型機器人為例展開介紹。臍帶系統(tǒng)臍帶絞車臍帶絞車的主要是儲存臍帶纜，在ROV布放是負(fù)責(zé)放纜，回收時負(fù)責(zé)收纜，為控制放纜及收纜長度，安裝有計米器。為了保證ROV的安全，防止纜繩過分張緊或松弛，減少波浪起伏對ROV的沖擊，臍帶絞車需具備恒張力控制功能，并防扭。液壓型絞車電動型絞車為了減少纜的沖擊性張力，根據(jù)船的升降收放纜（船尾上升時放纜，船尾下降時收纜），還需要為絞車增加升降補償功能。臍帶纜

通過臍帶纜，水面控制臺不但能將動力、控制信號傳遞給ROV，也可以接收返回的圖像信息，所以說臍帶纜是水下通訊的橋梁。但由于海況、海底結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果臍帶纜發(fā)生損壞、斷裂就會造成水下機器人的丟失，所以臍帶纜要選用強度大、防水、抗壓、絕緣的材質(zhì)。臍帶纜為動力和數(shù)據(jù)的傳輸提供了便捷，但也一定程度上限制了ROV的活動范圍，同時臍帶纜的斷裂也有會造成機器人的丟失。淺水區(qū)域，幾百米的臍帶纜可以直接由船體下放。但深水區(qū)長距離臍帶纜下放，會增加水下ROV運動和作業(yè)的阻力。這時可以儲存、收放臍帶纜的水下裝置——中繼器（TetheManagementSystem,TMS）出現(xiàn)了。中繼器中繼器的主要作用是隔離水面支持母船升沉運動對ROV的影響，減少ROV的運動阻力，對副纜進(jìn)行管理。當(dāng)ROV開始下潛準(zhǔn)備作業(yè)時，中繼器可以和ROV一起吊放至作業(yè)深度，之后中繼器放出ROV，開始作業(yè)。借助中繼器的重力下潛，既節(jié)省了能量，也提升了下潛的速度。頂置式中繼器車庫式中繼器纜線纜的主要作用是傳遞機械載荷，動力以及信號，有主纜和副纜之分。主纜支持母船平臺至TMS，副纜支持TMS至ROV。信號衰減小，抗干擾，通過光纖通信，能承受靜態(tài)載荷（纜自重、ROV重量、附加載荷重量）、動態(tài)載荷及自身產(chǎn)生的阻力。主纜副纜無人潛水器組成系統(tǒng)示意圖無人潛水器ROV由支撐框架、配平系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、光學(xué)觀察系統(tǒng)、耐壓倉、密封系統(tǒng)、動力系統(tǒng)組成，還需要安裝作業(yè)機械手?？蚣軝C械、電氣、推進(jìn)、傳感器工具單元都需要安裝到支架上，另外起到保護作用，要求使用的材料重量輕、強度高，一般為復(fù)合塑料和鋁合金?？蚣芘淦较到y(tǒng)配平系統(tǒng)包括了浮態(tài)配平和姿態(tài)配平。浮態(tài)配平主要由浮力塊構(gòu)成，保證ROV具有微正浮力，減少能耗，保證安全。一般置于ROV頂部，保證穩(wěn)定性，由浮力材料加工而成，一般是密度小于海水的合成泡沫，會隨著深度的增加邊形和吸水。合成泡沫浮力塊姿態(tài)配平主要通過重物增加負(fù)載，一般置于底部增加平穩(wěn)性，壓載的位置和大小都需要經(jīng)過計算得到，材料一般使用鉛塊。推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)主要功能是操控ROV運動，有電動和液壓兩種驅(qū)動方式的推進(jìn)器，電動主要由電機帶動螺旋槳來實現(xiàn)；液壓則是由電機驅(qū)動液壓泵，通過伺服閥控制液壓馬達(dá)帶動螺旋槳轉(zhuǎn)到來實現(xiàn)。液壓推進(jìn)器電動推進(jìn)器光學(xué)觀察系統(tǒng)光學(xué)觀察系統(tǒng)由照明系統(tǒng)和光學(xué)成像系統(tǒng)組成。照明系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)把觀察作業(yè)區(qū)照亮，光學(xué)成像系統(tǒng)通過高解析度攝像機靜態(tài)或動態(tài)圖像。照明系統(tǒng)光學(xué)高解析度攝像機耐壓倉耐壓倉為計算機、電子硬件、電池等提供了一個密閉常壓干燥的環(huán)境，外殼材料一般為不銹鋼、碳纖維、鈦合金或陶瓷等，根據(jù)壓力等要求進(jìn)行選擇。耐壓倉外殼密封系統(tǒng)由于在水下作業(yè)，要求所有的電氣連接均不能裸露在海水中，主要的密封方式有水密接插件（靜密封），如電纜連接；充油壓力補償（靜密封），如電磁閥箱，變壓器等；O型密封圈（動密封），如推進(jìn)器軸、液壓機械手關(guān)節(jié)等。壓力補償器動力系統(tǒng)動力系統(tǒng)主要有兩種：電動和液壓。液壓動力源作業(yè)機械手機械手水下作業(yè)機械手也是由電動和液壓驅(qū)動兩種方式，電動機械臂一般采用速率控制，只能完成一些簡單的作業(yè)任務(wù)，負(fù)載也比較小；液壓驅(qū)動機械臂由于負(fù)載大，行動靈活，擬人化布置，適合代替人手進(jìn)行精細(xì)化操作，尤其是執(zhí)行復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化的操作，作業(yè)級ROV普遍采用液壓機械臂，當(dāng)然此類機械臂重量較大，一般不適合小型ROV。機械手的特點：遙操作與工業(yè)機器人不同，執(zhí)行非結(jié)構(gòu)化任務(wù)擬人化布置，一般采用主手+從手的設(shè)計，基于位置控制，高級的如Kraft機械臂，可帶力反饋功能，操作更具臨場感，也能更好的保護機械手。一般采用5自由度+7自由度或兩個7自由度機械手，兩個機械手。5自由度機械手負(fù)載能力比較大，做一些簡單的抓舉作業(yè)；7自由度機械手比較靈活，代替人手執(zhí)行一些復(fù)雜精細(xì)的作業(yè)任務(wù)。5自由度機械手7自由度靈活手活動示意圖7自由度機械手在收集海底地質(zhì)（富礦體）樣本作業(yè)包線操作機械手控制方式主從控制，基于位置的控制方式，可帶力反饋控制（觸覺），實時反饋機械臂及末端執(zhí)行器的作用力，具備很好的臨場感，在科研及海底考古等要求精細(xì)化作業(yè)，并對環(huán)境保護要求較高的情況下，帶力反饋功能的機械手，將是最佳選擇。主從控制器具備一些典型的特征，幫助操控人員更好的操控。一鍵索引

-根據(jù)操作員的舒適性要求對與機械臂有關(guān)的master位置進(jìn)行彌補動力校正

-在索引之后能夠讓操作員通過機械臂對Masterl進(jìn)行校正。Master控制器一旦啟動，便會通過自身電力對機械臂進(jìn)行校正。關(guān)節(jié)鎖

-用于選擇性地對一個或多個機械臂軸心進(jìn)行鎖定，使得Master的動作不會對已鎖定的軸心產(chǎn)生影響。關(guān)節(jié)縮放

-改變Master控制臂對機械臂的運動比便，可以對每一個關(guān)節(jié)的縮放比例進(jìn)行單獨設(shè)置。關(guān)節(jié)限制

-對單獨的關(guān)節(jié)移動限制進(jìn)行設(shè)置，以防止機械臂對外圍產(chǎn)對夾持力的對稱控制

-極大地增強機械臂性能，優(yōu)于現(xiàn)有比例控制以及位置控制。自動裝載/部署

-通過預(yù)先編制的程序，操作員可以自動對機械臂進(jìn)行裝載或部署。動運行

-可以教導(dǎo)機械臂執(zhí)行一些日常行為或順序，而為以后的使用進(jìn)行永久的保存。系統(tǒng)診斷

-提供全面工具對系統(tǒng)進(jìn)行評估或故障檢修。主手控制器手抓類型末端執(zhí)行器（手抓）的作用是撿起物體、固定ROV、操控