黎植强 杨小令* 卞君杰 孙 浩 胡秋艳

0 引言

水下打捞是一种特种作业。早期的水下打捞，主要靠潜水员完成的。受生理条件限制，潜水员一般只能下潜到100 米以内，而且需要岸边或船上支持团队的保护。

20 世纪60 年代，出现了遥控水下机器人，可以代替潜水员完成部分水下打捞作业，减小了劳动强度和风险。但是，仍然需要岸边或船上人员近距操控，成本甚至高于潜水员打捞。近年来由于太阳能和风能技术水平的提高，以及无人无线技术的开发，由太阳能或风能供电的水下打捞机器人的开发层出不穷[1-3]。

1 研究意义

本文研究设计了一种远程控制、太阳能风能供电的水下打捞机器人，操纵人员可以借助无线图像传输技术，引导打捞机器人到达指定水域，完成水下探查和打捞。因为采用太阳能风能供电，可以连续巡航、进行大范围的搜索。

2 总体设计

太阳能风能水下打捞机器人由双体无人船和水下打捞机器人组成，具有结构新颖、运输方便、使用便捷的特点。

双体无人船由模块化双体船体、可调节门架、太阳能电池板、垂直轴风力发电机、正反转螺旋桨、防水电机、绞盘、测控模块组成。双体无人船因为配备了太阳能风能混合供电系统，晴天和风雨天都能提供足够电力，可以长时间、大范围携带水下打捞机器人巡航，并为打捞机器人提供能源供给和通讯中继，大大降低了打捞作业成本和风险。

水下打捞机器人由外壳、反向串联推进器组、水下机械手、姿态调节装置、脐带电缆、测控模块组成。反向串联推进器组与姿态调节装置配合，省去了垂向推进器、横向推进器、射流水枪，使水下打捞机器能轻松实现前后、左右、上下3 个维度的平移，左右转弯、上下俯仰2 种维度的转动，配合水下机械手，能轻松打捞水下小型物体。

3 详细设计

3.1 双体无人船

主要技术指标：最小吃水深度200 mm；巡航速度1.5 km/h；续航距离18 km；锚定最大深度100 m；太阳能发电80 W；4 级风速发电50 W；整体外形尺寸：长1 200 mm、宽400～1000 mm、高400～700 mm；空气中重量88 kg。

3.1.1 模块化双体船体

借鉴国内外无人船的经验，仍然选择双体船结构，为无人船提供足够浮力和稳定支撑。考虑到长途物流运输和单人安装维修，单个船体采用3 模块拼装而成：中部是矩形船身，内部有蓄电池盒，整体的重心低；两头是等腰三角形船头，外衬防撞橡胶垫。

3.1.2 可调节门架

用可调节门架联接左右双体船体，步进电机驱动螺杆旋转，改变门架的跨度在400～1 000 mm 范围变化，高度在0～300 mm范围变化，无人船的重心、螺旋桨淹没深度和太阳能电池的倾角受远程控制，使无人船与工作环境相适应。

（1）航行状态这种状态为正常水域航行状态。调节装置处于中间状态，正反向旋转螺旋桨淹没在水下，打捞机器人处于水面以上，航行时水阻力减小。这种情况下无人船的航速最大，能够快速到达打捞水域，进行相关打捞作业，同时节省能源。

（2）水草状态 这种状态无人船遇到茂密的水草。调节装置收缩至最小长度，将无人船门架抬到最高，螺旋桨的一半淹没，一半未淹没。水草不会缠绕螺旋桨，出水后沿切线向航道两边飞出。

（3）打捞状态这种状态为打捞机器人作业状态。此时调节装置伸展至最大长度，无人船重心降低，风阻力减小，稳定性增强。

3.1.3 正反向旋转螺旋桨

正反向旋转螺旋桨由1 个正向旋转螺旋桨和1 个反向旋转螺旋桨配对而成。正向旋转螺旋桨顺时针转动，向后排水，产生向前推力；反向旋转螺旋桨逆时针转动，向后排水，产生向前推力。正反转螺旋桨配对，附加力矩相互抵消，无人船不会发生横向倾斜。

3.2 水下打捞机器人

主要技术指标：下潜最大深度：100 m；最大移动速度：0.2 m/s；空气中质量:15 kg；外部尺寸：长508 mm、宽382 mm、高322 mm；最大可视距离（清水）5 m；清晰度420 线（彩色）；机械手抓取质量：10 kg。

3.2.1 壳体

壳体采用密封式结构，用防水材料制成密闭的流线形体，全部水下部件内藏在密封壳体内。密封式壳体的制作复杂，但不要求全部水下部件密封防水，扩大了选材范围，降低了材料成本。另外水流阻力较小，可减小电机的功率和蓄电池的容量。

3.2.2 反向串联推进器组

采用两个推进器背靠背组成一个反向串联推进器组，这种推进器组的向前向后推力相同。纵向并列两个反向串联推进器组，可实现原地转弯。除此而外，还可实现左右横移、原地喷水冲刷，省去了横向推进器和喷水水枪。

3.2.3 水下机械手

机械手嵌入于底座支架，用防水电磁铁作为驱动机构。机械手常态为闭合状态。电磁铁通电，机械手展开，抓取物体；电磁铁断电，机械手依靠弹簧弹力复位，夹紧物体，这样耗电最少。

3.2.4 姿态调节装置

图1 太阳能风能双体无人船

图2 水下打捞机器人

设置了姿态调节机构，能改变外壳轴向与水平面之间的下倾角。姿态调节机构主要是靠移动密封式外壳内质量块的位置，改变重心位置：外壳现状不变，浮心位置始终不变，这样可改变下倾角。当下倾角为0°时，水下机器人在水平方向游动；当下倾角为90°时，水下机器人在垂直方向游动，可实现上下浮潜。下倾角可在0°至90°之间变化，水下机器人就能在纵向垂直面内斜向游动，斜向游动时将头部对准目标，然后径直游向目标，大大节省时间。采用姿态调节方法，可省去垂向推进器和摄像机的摇头机构。

4 结语

太阳能风能水下打捞机器人采用太阳能风能混合能源，是绿色环保型产品，不会对打捞水域产生污染。它能在0.3～100 m水深范围内巡航，甚至于水草茂密的滩涂、湿地，这是大型打捞船队没法实现的。它能连续打捞10 kg 以内水下小型物体，完成水下标本采集、水下物证搜寻、水下遗物捞取等任务。

无人船空气中重量80 kg，全部拆解后可以装入长600 mm、宽200 mm、高400 mm 的4 个包装箱内；机器人空气中质量:15 kg，可以装入长520 mm、宽400 mm、高350 mm 的1 个包装箱内。可以搭乘飞机、高铁、大巴车，运输方便。单人可以胜任现场安装维护工作。

晴天，利用太阳能发电；风雨天，2 级以上风力，风力发电机就能正常发电。蓄电池充满电后，可以连续供电12 小时，以巡航速度1.5 km/h 计算，最大连续巡航距离18 km，可以环绕20 km2的水域一圈。

太阳能风能水下打捞机器人经济实用性强、标准化程度高，将在交通、海事、公安、水利、水产、环保等领域发挥重要作用。