水下捕捉海星遥控机器人（ROV）的设计和运动分析（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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水下
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运动
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摘 要
海星是海洋中的一类海底栖息的无脊椎动物。一方面，海星强大的捕食和繁殖能力会对贝类会造成破坏，从而对沿岸渔业和水产养殖造成威胁和损失。另一方面，海星特殊的生长环境让它的营养价值丰富，而且对于疾病有很好的疗效。因此，抓捕海星对于我们来说变得越来越重要。
随着世界水下机器人技术的发展，越来越多的针对具体工程应用的机器人被开发使用。其中，ROV因其经济性好、灵活性高、环境适应性好、工作效率高、使用有效等特点，得到了迅猛发展。本论文在总结国内外ROV发展的并参阅了大量的学术期刊和论文的基础上，针对水下抓捕海星的具体应用，设计了一种封闭式的、具有对称框架结构的水下ROV机器人。
本论文根据海星的生存环境，对于ROV的具体工作环境要求进行了设定；主要介绍了ROV的系统方案和结构设计，完成了舱内各部分位置的分配；设计了ROV下潜器的浮体结构、框架结构，并对于耐压壳体部分进行了选择和设计；重点设计了ROV的动力传动系统，并对相关轴和齿轮等进行了计算校核；对于封闭框架的静密封和推进器旋转轴的动密封环节进行了方案的选择和设计。
本论文设计了基于四连杆曲柄摇杆单驱动机构和五连杆的双曲柄双驱动机构的机械手；建立了基于五连杆的双曲柄双驱动机构的运动学方程，并用matlab进行了轨迹的设计和优化过程，得出了机械手相关参数的优化设计。使用ADAMS软件完成了对于轨迹的模拟仿真和运动分析。
关键词：捕获海星； 水下机器人； 曲柄连杆机构； 优化设计； 运动仿真
- 内容简介：
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1 本科毕业设计 开题报告 题 目 水下海星捕获机器人装置的 设计和运动分析 2 一、 选题 依据 课题来源、选题依据和背景情况 ； 课题研究目的、 学术价值或 实际应用价值 1、课题来源、选题依据和背景情况 从全球来看，整个地球的表面积是 平方千米，而其中海洋的面积为到了 平方千米，占地球总表面积的 海洋，是人类赖以生存和发展的四大战略空间 陆、海、空、天中继陆地之后的第二大空间，是能源、生物资源和金属资源的战略性开发基地，是目前最现实的，也是最具有 发展潜力的空间。随着 21 世纪，全世界科学技术的高速发展，面对蕴含丰富的生物资源、矿产和能源资源的海洋，人们已经从单纯的观测进入到了对海洋进行充分探索、开发和利用的时代。新世纪人类面临着诸如人口过度膨胀、陆上化石能源进一步枯竭、生存环境污染严重等问题，充分地对海洋进行开发，有利于我们的可持续发展和相关经济产业壮大，是我们的必然选择。 海洋生物资源丰富，生物种群复杂多样，种类繁多。海星是海洋中的一类海底栖息的无脊椎动物。海星具有强大的捕食和繁殖能力，它们对于贝类会造成比较显著的破坏，从而对沿岸的渔业和水产养殖造 成较大的威胁和损失。例如：在韩国的南部海岸，分布着一种阿穆尔海星，这种入侵的海星物种给当地带来的相当大的麻烦。它们胃口很大，捕食贝类，在韩国海域不存在自然天敌，从而繁殖和再生能力巨大。不仅仅是海岸的渔场，而且自然的湖泊也会受到这些海星的威胁。例如，澳大利亚的大堡礁连续不断地报道海星数量爆炸性增长的问题。联合国 （ 国际海事组织（ 经把海星列为了全球有害生物之一 1。 虽然海星对于贝类有巨大的威胁，但是它特殊的生长环境使得它不仅具有丰富的营养价值，而且对于人类及动物的多种疾病具有很好的疗效。海星 富含蛋白、氨基酸、不饱和脂肪酸、微量元素和维生素等，必须氨基酸比例合理，将其作为人类的营养美食有很好的开发前景。此外，海星还含有大量结构独特的具有生物活性的代谢产物，如皂苷、生物碱、甾醇、多糖、维生素、蛋白质、多肽和氨基酸等，他们具有多种多样的生理和药理活性，如抗癌、抑菌、抗病毒、抗炎、降血压和降血脂等，将其应用于医药、保健食品及动物饲料资源开发等领域中有着巨大的前景 2。 不论是减小海星对于渔业的影响，还是捕捉进行科学研究或者相关产业的开3 发利用，海星的抓捕工作已经提上了日程。在韩国，一个潜水员一天可以手 工采集 100星。然而，这项工作非常辛苦， 效率低下，而且水下工作总会伴有意外的风险和减压病。用潜水器潜水，一个潜水员利用一个空气储蓄器可以下潜30钟，到达 20M 的深度。往往一个水下任务结束后，一些潜水员会出现肌肉骨骼病，皮肤病和排尿困难等疾病。潜水员一般都患有慢性头痛和肌肉骨骼疾病，因为他们每天要反复潜水 5时。 水下机器人（也成无人潜水器）完全可以胜任这类工作，它安全性好、效率高、作业深度大、能在水下长时间工作。按照无人潜水器与水面支持设备（母船或平台）间联系方式的不同，水下机器人可以分为 两大类：一类是有缆水下机器人，即遥控水下机器人（ ；另一类 是无缆水下机器人，即自治水下机器人（ 自带能源，依靠自身的自治能力来管理和控制自己。 其经济型号、下水出水灵活性高、环境适应性好、作业效率高、使用有效等有点，得到了迅速发展。随着功能及可靠性的迅速提高， 来越被广泛地应用于海洋资源开发、水下工程、海底调查、打捞作业等领域。 2、课题研究目的、学术价值和实际应用价值 本课题希望设计一种专门应用于水下海星捕捞的 下机器人及其捕捉装置，来替代人工的捕捞工作。这样，不但可以节省许多潜水员的人力成本，而且会提高工作的效率。水下机器人的研究和发展虽然始于 20 世纪 50 年代，但是在捕捞海星这类工作的实际应用中并不多见，因此 本课题的设计对于实际海星捕捞工作有着重要的价值 ，对于我国进行海洋资源开发和蓝色强国梦想的实现从技术和方向上有着一定的促进作用。 4 二、文献综述 国内外研究现状、发展动态；查 阅 的主要 文献 1、 国内外研究现状、发展动态 有缆水下机器人的简称，需要 由电缆从母船接受动力， 是完全自主的，它需要人们通过电缆对 行认为的遥控干预，电缆对于 说 像 “脐带 ”对于胎儿一样至关重要。有缆水下机器人根据运动方式的不同可分为拖拽式、（海底）移动式和浮游（自航）式三种。 最 早 得到开发和应用的无人潜水器，其研制始于 20 世纪 50 年代，雏形 是几个美国人想要观察神秘的海底世界。他们将普通摄像机密封在防水壳体内，将其带入海底，成为了第一代第一个浮游式有缆潜水器。 而世界上真正意义上的第一个 1960 年美国研制的 “ 1966 年 1 月它与载人潜水器 配合，在西班牙外海找到了一颗因轰炸机失事而失落在海底的氢弹，并且进行了成功地打捞。这在全世界引起了极大的轰动，从此 术开始引起人们的重视。 随着军事及海洋工程的需要及电子、计算机、材料等高新技术的发展， 20世纪 70 年代和 80 年代， 到了飞速发展，形成了初具规模的 业。1975 年，第一台商业化的 问世。这台 于观察型 被称为 “眼球 ”，因为它的外形非常像一只球。北海油田和墨西哥湾是 “眼球 ”首先被应用的地区。 “ 型 是在 “ 的基础上由 司在 1978 年到 1980 年期间，进行改装设计的（图 1）。 以下潜的最大深度是 914m，配备有四个推进器，它主要应用在水下的管道连接作业和水下钻井方面。 图 1 代 统的种类可以按照尺寸、驱动形式、功率和下潜深度进行划分，5 如表 1 所示 3。 表 1 统分类 类型 能力 功率 /型（电动） 观察（小于 300 米） 小于 型（电动） 观察 /轻微作业（小于 3000 米） 小于 深（电动） 观察 /数据采集（小于 3000 米） 小于 等（电动 /液压） 轻微 /中等强度作业（小于 2000 米） 小于 型（电动 /液压） 大强度 /大负载（小于 3000 米） 小于 深（电动 /液压） 大强度 /大负载（大于 3000 米） 小于 981 年国际水下公司出售的 最早市场上出售的小型 价为 45000 美元。 1984 年国际深海系统公司出售的 价为 286000 美元。 1985 年深海工程公司设计的 售价为 30000 美元。目前，这类小型 数量占所有 比例约为 22%。 美国 司生产的 般都是系列化的， 2）额定下潜深度 150m，长 530m，宽 245m，高 254m，对角线长 353m，在空气中重 11用耐压壳体和聚乙烯框架作为安装架及保护框架。图 2 有 4 个无刷直流 推进器，前向 2 个，推力 71 个垂向推进器，推力 31 个侧向推进器，推力 3 水面运动时的速度可以达到 3 节，最大的抗流能力为 2 节。配有 520 线摄像头以及 180旋转云台，可以观察 270范围内景物。配有方向、深度和温度传感器。配备了直径为 8 150过凯夫拉加强，工作强度为 100断强度为 700过6 内部的屏蔽双绞线 传输电 源和控制信号，通过普通双绞线传输视频信号。固、耐用、体积小巧，转动灵活，操作使用简单，维护方便，质量可靠，并且配备了工业级摇杆和防水键盘，可以控制 前进、后退、转向、上浮、下潜和侧移，而且 还可以控制照 明灯的强度和摄像头的转向和俯仰，可以调整摄像头焦距 4。 英国 司的 3）具有单个人在 3 分钟内单手完成布放的快速简单的特点。 203 152 146以灵活地进入直径 190管道。重量仅为 3深 100m。有 4 个水平推进器，并且呈矢量分布，这样的布置使其前推进器数相当于 4 个以及侧推进器数也等同于 4 个。 推进器矢量分布设计使其侧推与前推动力相同，使其前后左右运动可以拥有相等的速度，从而也可以在给定的任意方 向流场环境中使持稳定状态。 拥有 2 个垂向推进器，可以控制 有深度、温度、潮湿和进水检测传感器，可以见识 作环境和自身参数 5。 图 3 国 司开发了 和 系列的超小型水下机器人，它们主要用于海上石油平台、港口安检、水库检测、水产养殖、商业潜水、教育、科学研究等领域。其中， 系列 包括 E， S， 潜深 152m 总重量不同 的潜水器，它们可以适应不同水下使用情况。 系列包括 00 00 00潜深 300m 应用于水产养殖、港口安检和水下救援打捞等不同用途的小型 7 E（图 4）最大潜水深度 152m，航速为 23 节。长 305 225 210 机器人配有前后摄像头以及照明灯、深度 计和电子罗盘等 6。 图 4 E 由 司研发的 子部分安装在耐压舱内，前后有透明玻璃罩供前后摄像头观察之用，并配备有照明光源安装在主壳体上。 5）配两个前后推进器， 6）配备 4 个前后推进器，可以在流速达 s 的水流中工作。 图 5 图 6 前国内小型 天津深之蓝海洋设备科技有限公司设计研发的小型缆控水下观测机器人 “江豚 ”（图 7） ，天津斯卡特科技有限公司的 5C（图8）和 50C（图 9）。 “江豚 ”的尺寸为长 330 202 175小型缆控水下观测机器人由通过线缆连接的水下运动平台和 甲板 监控单元两部分组成 。水下运动平台安装有多角度彩色摄像头和照明装置、大推力螺旋桨推进器、位置姿态测量传感器、数据处理和动作控制电路等，可以实现灵活的水下运动控制和清晰的视频图8 像获取。 “江豚 ”总重量 3大前进速度 3m/s，最大升潜速度为 2m/s，可以实现快速 2s 灵活原地转弯，航向精准保持和位置悬停等。 “江豚 ”主要应用于河流、湖泊、港湾、海水等水下目标搜查，以及水产养殖、堤坝维护、港湾监视和舰艇维护等领域。 图 7 江豚 5C 要包括： 10机器人，控制台， 50m 水下专用电缆，用户手册和工具包等，系统总重 38括了一台彩色摄像机和一台 7 英寸的彩色液晶屏监视器，控制台上配有视频输出端子。当遇到需要录制视频的任务时，可以很方便地进行视频录制。摄像机为广角电动变焦彩色摄像机，内置云台，俯仰140 度。摄像头 530 线分辨率 号为 式。配备有 2 个 35W 高效率卤素灯和 2 个 60旋桨的配有导流罩的水平推进器，有 1 个 60旋桨的配有导流罩的垂直推进器。配备深度传感器、姿态倾斜传感器和电子罗 盘。 5C 大潜深 76m，航行速度 1m/s（ 2 节），电缆长度 50m。 50C 75C 的不同之处在于水平推进器 150C 是 100，垂直推进器是 75大潜深为 150m，航行速度 s（ 3 节），电缆长度为100m。 图 8 5C 图 9 50C 9 通过上面的介绍和分析，我们可以清楚的发现，经过几十年的经济和科 学技术的发展，小型 到了迅猛的发展，尤其是国外的 术已经发展到了一个全新的阶段。由此，国外许多的 司应运而生，并且针对不同的使用领域开发了具有明显特征的可靠实用的产品。然而，相对于国外，国内的 术发展和水平比较落后，现阶段可靠的应用型 是国内的巨大需求。 二、参考文献 1 , , , , ： of of a an 2013,14902 汪行舟，安利龙 J3 吴丙伟 构设计与仿真 D制理论与控制工程，2013： 14 5 6 7 于华南 D船舶与海洋结构物设计制造， 2003： 18 张铁栋 M9 9 许竞克，王佑君，侯宝科，杨立浩 研发现状及发展趋势 J 32 卷第 4 期 10 徐玉如，李彭超 J 33 卷第 3期 11 , , , ： of a 12 钟先友，谭跃刚 J 2006：第一期 13 陈宗桓，盛堰，胡波 海洋科学科考中的发展现状及应用 J2014：第 21 期 10 三、研究内容 1 学术构想与思路 ； 主要研究内容及拟解决的关键 问题（或 技术 ） （ 1）学术构想与思路 1） 通过了解国内外潜水小型 发展现状，对目前已有的 商业化的行外形结构的分析和研究。 2）结合捕捉海星的实际应用情况，考虑相关的环境参数和对 要求，类比进行 设计。 3）进行 设计时，分模块进行设计。例如：总体框架、形体、水密方案、动力系统、传动系统、观测和照明系统 、机械手系统 等等。提高设计的效率，减小设计的难度。 3）捕捉海星的机械手装置，参考已有成熟的相关技术，进行改进使其适应于海星的捕捉，并且运用相关软件进行运动分析。 4）如果各方面条件允许的话，可以进行实物的测试 ，或者可以用相关软件进行模拟。 （ 2）主要研究内容 0 前言 1. 研究综述 （ 1） 引言 （ 2） 水下机器人分类 （ 3） 内外研究现状 （ 4） 论文 需要 完成 的 工作介绍 2. 系统方案设计 （ 1） 统组成 （ 2） 总体设计构思 （ 3） 浮体的设计 11 （ 4） 框架的设计 （ 5） 耐压壳的设计 （ 6） 静密封和动密封设计 3. 搭载的机械手和捕获装置的设计 （ 1） 功能需求分析 （ 2） 机械手设计 （ 3） 装载海星笼子设计 （ 4） 装置与 相连接设计 4. 机械结构设计与强度校核 （ 1） 机械结构包括水密耐压舱的 结构 （ 2） 水下推进器的设计 （ 3） 舱内各部分的位置分配 （ 4） 对于设计的相关传动轴进行校核。 5. 机械手空间分析 6. 论文总结与展望 （ 3）拟解决的关键问题（或技术） 作环境和相关技术要求条件的设置。 关模 块的结构设计。 行相关的三维和二维建模，完成图纸和论文。 2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 12 （ 1） 文献研究法。根据我们的课题，通过调查相关的文献来获取资料，从而全面地、正确地了解掌握小型 术的历史发展和国内外现状，可以帮助我们确定研究的课题。 （ 2）跨学科研究法。在 关材料的选择上，涉及到海洋化学的知识；在海星的习性和特点的问题上，涉 及到海洋生物的知识；在 架内的相关电器的应用上，涉及到自动化电气专业。因此，需要我们进行跨学科的研究，以便更快更准的服务于我们的课题。 （ 3）模拟法。通过 软件进行三维、二维和运动分析模拟，利于我们总结归纳，优化我们的设计。 （ 4）数学方法。在校核强度方面，需要引入数学在机械方面的引用公式，进行相关的计算。 13 3 实施方案及可行性分析 水下海星捕获机器人装置由小型 航器和机械手及还行装载装置组成。 首先 确定海星的生存环境，即 工作环境要求。海星生存的海水平均深度设为 30m，并且贝类养殖场的海底相对平坦。海流的速度低于 s，并且海水的透光度超过 于海星来说，它们本身的粘着力很小，也不能快速移动，因此经常会借助海流来移动。由于它们数量巨大，因此会形成群组式的生存状态。 对于 器人来说， 宽度必须小于 700度要小于 1000度要小于 500外，为了在没有发射装置的情况下， 2 个人可以对机器人进行控制，对于它的重量也有限制，需要低于 601左右 。最小的前进速度是 1m/s，机器人平台可以在工作区域内保持运动和方向，避免水下工作中的海流和机械手的反作用力。 为此，我们采用封闭式的框架，并把 体设计成对称的结构。平台使用 4 个旋转推进器，并且能够进行轴向的旋转，每两个推进器可以同步进行旋转。机器人平台可以实现 6 个自由度的空间运动。 框架可以考虑采用 合物制造。在框架的基础上，可以装备有机玻璃、螺钉、 O 型圈进行密封。浮体装在装置的顶部和底部，可以考虑使用高分子聚丙烯（ 平台的上面和下面有对接环装置，用来装载机械手或者其他捕获装置。整个机器人潜航深度应小于 40m，承受 5力内是防水的。 需
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