作业级ROV结构介绍

典型作业级ROV结构介绍前言地球上海洋面积为3.6亿平方公里，约占地球表面的71.8%，是生命的摇篮、资源的宝库，人类可持续发展的源泉。进入21世纪后，重视海洋、探索海洋、研究海洋、开发海洋，以及保护海洋成为全球各国的重要课题。我国十八大提出了海洋强国战略，国家发改委等4部委近日下发《关于印发海洋工程装备产业创新发展战略（2011－2020）的通知》，推动海洋工程装备产业发展。国家“深海关键技术与装备”重点专项也将全海深（最大工作深度11000米）潜水器研制及深海前沿关键技术作为重点攻关方向。水下机器人是一种具有人的一部分或大部分功能，能够在海洋环境下代替人进行某种作业的自动控制装置。通常是依靠电缆提供的动力或自身携带的能源驱动，载体上装有推进器在水下做三维空间运动，并可装设照明、摄像、声纳等观测设备，多种传感器及用来完成某些作业的机械手和作业工具。水下机器人大致可分为三类：有缆遥控水下机器人ROV、自治水下机器人AUV、载人潜水器HOV，最近国外如美国伍兹霍尔海洋研究所研究一款混合水下机器人HROV。ROV根据用途不同又分为观察型、调查型、作业型，就不再展开讲，本文以下内容以作业型机器人为例展开介绍。脐带系统脐带绞车脐带绞车的主要是储存脐带缆，在ROV布放是负责放缆，回收时负责收缆，为控制放缆及收缆长度，安装有计米器。为了保证ROV的安全，防止缆绳过分张紧或松弛，减少波浪起伏对ROV的冲击，脐带绞车需具备恒张力控制功能，并防扭。液压型绞车电动型绞车为了减少缆的冲击性张力，根据船的升降收放缆（船尾上升时放缆，船尾下降时收缆），还需要为绞车增加升降补偿功能。脐带缆

通过脐带缆，水面控制台不但能将动力、控制信号传递给ROV，也可以接收返回的图像信息，所以说脐带缆是水下通讯的桥梁。但由于海况、海底结构复杂，如果脐带缆发生损坏、断裂就会造成水下机器人的丢失，所以脐带缆要选用强度大、防水、抗压、绝缘的材质。脐带缆为动力和数据的传输提供了便捷，但也一定程度上限制了ROV的活动范围，同时脐带缆的断裂也有会造成机器人的丢失。浅水区域，几百米的脐带缆可以直接由船体下放。但深水区长距离脐带缆下放，会增加水下ROV运动和作业的阻力。这时可以储存、收放脐带缆的水下装置——中继器（TetheManagementSystem,TMS）出现了。中继器中继器的主要作用是隔离水面支持母船升沉运动对ROV的影响，减少ROV的运动阻力，对副缆进行管理。当ROV开始下潜准备作业时，中继器可以和ROV一起吊放至作业深度，之后中继器放出ROV，开始作业。借助中继器的重力下潜，既节省了能量，也提升了下潜的速度。顶置式中继器车库式中继器缆线缆的主要作用是传递机械载荷，动力以及信号，有主缆和副缆之分。主缆支持母船平台至TMS，副缆支持TMS至ROV。信号衰减小，抗干扰，通过光纤通信，能承受静态载荷（缆自重、ROV重量、附加载荷重量）、动态载荷及自身产生的阻力。主缆副缆无人潜水器组成系统示意图无人潜水器ROV由支撑框架、配平系统、推进系统、光学观察系统、耐压仓、密封系统、动力系统组成，还需要安装作业机械手。框架机械、电气、推进、传感器工具单元都需要安装到支架上，另外起到保护作用，要求使用的材料重量轻、强度高，一般为复合塑料和铝合金。框架配平系统配平系统包括了浮态配平和姿态配平。浮态配平主要由浮力块构成，保证ROV具有微正浮力，减少能耗，保证安全。一般置于ROV顶部，保证稳定性，由浮力材料加工而成，一般是密度小于海水的合成泡沫，会随着深度的增加边形和吸水。合成泡沫浮力块姿态配平主要通过重物增加负载，一般置于底部增加平稳性，压载的位置和大小都需要经过计算得到，材料一般使用铅块。推进系统推进系统主要功能是操控ROV运动，有电动和液压两种驱动方式的推进器，电动主要由电机带动螺旋桨来实现；液压则是由电机驱动液压泵，通过伺服阀控制液压马达带动螺旋桨转到来实现。液压推进器电动推进器光学观察系统光学观察系统由照明系统和光学成像系统组成。照明系统主要负责把观察作业区照亮，光学成像系统通过高解析度摄像机静态或动态图像。照明系统光学高解析度摄像机耐压仓耐压仓为计算机、电子硬件、电池等提供了一个密闭常压干燥的环境，外壳材料一般为不锈钢、碳纤维、钛合金或陶瓷等，根据压力等要求进行选择。耐压仓外壳密封系统由于在水下作业，要求所有的电气连接均不能裸露在海水中，主要的密封方式有水密接插件（静密封），如电缆连接；充油压力补偿（静密封），如电磁阀箱，变压器等；O型密封圈（动密封），如推进器轴、液压机械手关节等。压力补偿器动力系统动力系统主要有两种：电动和液压。液压动力源作业机械手机械手水下作业机械手也是由电动和液压驱动两种方式，电动机械臂一般采用速率控制，只能完成一些简单的作业任务，负载也比较小；液压驱动机械臂由于负载大，行动灵活，拟人化布置，适合代替人手进行精细化操作，尤其是执行复杂非结构化的操作，作业级ROV普遍采用液压机械臂，当然此类机械臂重量较大，一般不适合小型ROV。机械手的特点：遥操作与工业机器人不同，执行非结构化任务拟人化布置，一般采用主手+从手的设计，基于位置控制，高级的如Kraft机械臂，可带力反馈功能，操作更具临场感，也能更好的保护机械手。一般采用5自由度+7自由度或两个7自由度机械手，两个机械手。5自由度机械手负载能力比较大，做一些简单的抓举作业；7自由度机械手比较灵活，代替人手执行一些复杂精细的作业任务。5自由度机械手7自由度灵活手活动示意图7自由度机械手在收集海底地质（富矿体）样本作业包线操作机械手控制方式主从控制，基于位置的控制方式，可带力反馈控制（触觉），实时反馈机械臂及末端执行器的作用力，具备很好的临场感，在科研及海底考古等要求精细化作业，并对环境保护要求较高的情况下，带力反馈功能的机械手，将是最佳选择。主从控制器具备一些典型的特征，帮助操控人员更好的操控。一键索引

-根据操作员的舒适性要求对与机械臂有关的master位置进行弥补动力校正

-在索引之后能够让操作员通过机械臂对Masterl进行校正。Master控制器一旦启动，便会通过自身电力对机械臂进行校正。关节锁

-用于选择性地对一个或多个机械臂轴心进行锁定，使得Master的动作不会对已锁定的轴心产生影响。关节缩放

-改变Master控制臂对机械臂的运动比便，可以对每一个关节的缩放比例进行单独设置。关节限制

-对单独的关节移动限制进行设置，以防止机械臂对外围产对夹持力的对称控制

-极大地增强机械臂性能，优于现有比例控制以及位置控制。自动装载/部署

-通过预先编制的程序，操作员可以自动对机械臂进行装载或部署。动运行

-可以教导机械臂执行一些日常行为或顺序，而为以后的使用进行永久的保存。系统诊断

-提供全面工具对系统进行评估或故障检修。主手控制器手抓类型末端执行器（手抓）的作用是捡起物体、固定ROV、操控