面向高库大坝的多机协同水下检测机器人自动脱挂系统设计及应用

吴成尖; 赵春; 郭帅琪; 徐沈阳; 吴刚; 万刚; 朱思思; 王延杰

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507540

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (19) :7989-7997 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507540

第二十八届中国科协年会学术论文

面向高库大坝的多机协同水下检测机器人自动脱挂系统设计及应用

吴成尖 ¹^,² ,
赵春 ¹^,² ,
郭帅琪 ¹^,² ,
徐沈阳 ¹^,² ,
吴刚 ¹^,² ,
万刚 ³ ,
朱思思 ³ ,
王延杰 ¹^,²^,^*

作者信息 +

Design and Application of Automatic Hook-release System for Multi-robot Collaborative Underwater Inspection in High-dam

WU Cheng-jian ¹^,² ,
ZHAO Chun ¹^,² ,
GUO Shuai-qi ¹^,² ,
XU Shen-yang ¹^,² ,
WU Gang ¹^,² ,
WAN Gang ³ ,
ZHU Si-si ³ ,
WANG Yan-jie ¹^,²^,^*

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摘要

面向高库大坝的多机协同水下检测机器人主要由水面动力浮标与水下检测机器人组成,可实现对坝体的大范围、高效率协同检测,对保障大坝安全运行具有重要意义。然而,目前缺乏有效的专用装置对水面动力浮标与水下检测机器人进行安全、高效的一体化远程布放与回收,限制了该技术的工程应用。为此,设计了一种基于杠杆锁舌机构与电动推杆驱动的自动脱挂系统,可实现挂钩的远程自动脱钩与闭锁,并集成计米轮机构实时监测脐带缆的释放/回收长度。该系统通过无线远程通信,支持水面动力浮标与水下检测机器人的一体化布放、回收及脐带缆动态管理。实验结果表明,所提出的自动脱挂系统在实际吊装场景中性能稳定,满足远程自动脱挂需求,可显著提升多机协同作业背景下大型水下机器人布放与回收的安全性和工作效率。

Abstract

A multi-robot collaborative underwater inspection system for high-dam environments, consisting of a surface-powered buoy and underwater inspection robots, is designed for large-scale and highly efficient cooperative detection of dam structures, which is considered of great significance for ensuring the safe operation of dams. However, the engineering application of this technology has been hindered by the lack of effective dedicated devices for the safe and efficient integrated remote deployment and recovery of the surface buoy and underwater robots. To address this issue, an automatic hook-release system based on a lever-based latch mechanism and an electric actuator was presented. Remote automatic hook release and locking were allowed, and a length-measuring wheel mechanism is integrated to monitor the deployment/retrieval length of the umbilical cable in real time. Integrated deployment, recovery, and dynamic management of the umbilical cable are supported through wireless remote communication. It is shown by experimental results that the proposed system operates reliably in practical lifting scenarios. The requirements for remote automatic hooking and release are met, and the safety and efficiency of deploying and retrieving large underwater robots are considerably improved.

Graphical abstract

关键词

自动脱挂钩 / 水下机器人 / 动力学仿真 / 静力学仿真 / 脐带缆管理

Key words

automatic hook-release / underwater robot / dynamic simulation / static simulation / umbilical cable management

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吴成尖, 赵春, 郭帅琪, 徐沈阳, 吴刚, 万刚, 朱思思, 王延杰. 面向高库大坝的多机协同水下检测机器人自动脱挂系统设计及应用[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(19): 7989-7997 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507540

WU Cheng-jian, ZHAO Chun, GUO Shuai-qi, XU Shen-yang, WU Gang, WAN Gang, ZHU Si-si, WANG Yan-jie. Design and Application of Automatic Hook-release System for Multi-robot Collaborative Underwater Inspection in High-dam[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(19): 7989-7997 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507540

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大型水电站受水体侵蚀、水流冲击及自身老化影响,混凝土大坝及其附属建筑物易出现裂缝、掉块等缺陷,这些缺陷可能进一步向内扩展,成为触发险情与诱发灾害的重要因素^[1-3]。为保障库坝安全,水下检测机器人[ARV(autonomous and remotely-operated vehicle)、ROV(remote operated vehicle)等]逐渐替代人工作业,实现高效、精准的水下检测^[4-6]。尤其在高库大坝等大范围、复杂水下环境中,多机协同作业模式通过分工协作可显著提升检测效率与覆盖能力,已成为重要发展趋势。然而,多机协同系统中水面动力浮标与水下机器人的一体化布放与回收过程操作复杂,存在吊装效率低、协同操作难度大、人员安全风险高等问题,同时脐带缆的管理也带来额外挑战,严重制约了该技术的工程化应用^[7-8]。

传统吊装作业中,人为操作引发的安全事故屡见不鲜。地面工人需参与起运与卸运过程的指挥,依次完成挂钩、脱钩作业,该过程对人工依赖度高、危险程度大^[9-12]。为提升作业安全性与自动化水平,众多学者围绕吊钩自动化展开相关研究^[13]。赵嘉华等^[14]提出一款吊具自动脱钩装置,该设备以电动缸、脱绳拨杆、主吊钩为核心部件,通过电动缸驱动实现自动脱钩动作。徐佳琦等^[15]采用电机、齿轮传动及控制系统等器件,研发出一种智能吊钩系统,可在远程操作下完成吊钩的自动抬升、下落,并能在勾起重物后自动落锁。郑亚辉等^[16]开发了具备自动装卸功能的吊钩,通过驱动装置与三轴协同配合,实现了自装卸与自回转。然而,现有装置多针对通用起重场景设计,缺乏面向水面动力浮标与水下检测机器人一体化吊装的专用方案,尤其缺失对脐带缆动态管理的支持,难以满足高库大坝多机协同检测应用中高效、可靠的布放与回收需求。

针对上述问题,面向多机协同水下检测系统,设计一种适用于水面作业的远程控制自动脱挂系统。该系统基于杠杆锁舌机构与电动推杆驱动,实现挂钩的自动脱锁与闭锁;集成计米轮机构,对脐带缆的释放与回收长度进行实时监测;支持通过无线电远程控制,完成动力浮标与水下机器人的一体化布放、回收及动态缆线管理。有望提升吊装作业的安全性与工作效率,适用于高库大坝水下检测机器人的工程应用。

1 自动脱挂系统需求分析

水下检测机器人系统广泛应用于大型水电站坝体缺陷的智能检测,可实现悬停、定深、定高、定向等精准运动控制,最大工作水深超过300 m。该系统集成高清摄像、图像声呐、高精度水深定位等多种传感与作业模块,检测精度与可靠性较高。为提升水下机器人在深水环境中的定位稳定性,通常需与水面动力浮标协同工作,构建多机协同检测系统。动力浮标不仅为水下机器人提供动力支持与通信中继,还能通过浮标平台的主动定位与运动控制,增强整个系统的作业能力。不过,多机协同系统也面临动力浮标与水下机器人一体化布放、回收及脐带缆管理的技术挑战,这直接影响工程应用的可行性与效率。

在该系统中,动力浮标与水下机器人需通过自动脱挂系统连接为一个整体,该整体再经由自动脱挂系统与岸边起重设备相连接。布放过程中,起重设备将连接体吊放至水面(此时连接体与起重设备自动脱挂),随后动力浮标携带水下机器人移动至作业区域,通过远程控制实现动力浮标自动脱钩以释放机器人,同时由浮标平台实时管理脐带缆的长度与位置,从而防止缠绕、减小水流阻力并保障通信质量。作业完成后,机器人返回浮标下方完成自动挂钩,最终由起重设备一体化回收。该工作流程如图1所示。为实现上述功能,自动脱挂系统需满足以下要求。

(1)实现起重设备、浮标、机器人三者的可靠连接。

(2)具备对接容差能力,以补偿由水流扰动引起的位姿误差^[17]。

(3)控制系统结构简单,操作便捷。

(4)电控部分具备防水能力。

基于上述需求,提出一种如图2所示的球头型锥杆式对接机构。该结构借助类球副的柔性运动特性来适配对接过程中的偏差,提升系统在复杂水域环境下的鲁棒性。自动脱挂系统采用对称布局,主体安装于动力浮标,通过挂钩轴机构实现与机器人及起重设备的快速联接与脱离。

2 自动脱挂系统整体设计

2.1 挂钩轴机构

根据自动脱挂系统设计方案,构建了挂钩轴机构的三维模型。挂钩轴机构一侧采用法兰盘结构与机器人或起重设备相连接,另一侧采用球头型作为铰链机构,能够在对接过程中提供对心冗余度。为确保脐带缆的贯穿布置并保障其在布放与回收过程中不受挤压、缠绕及过度弯折,挂钩轴机构为中空构型设计,确保缆线可顺畅穿行且便于实时管理。此外,由于脐带缆端部包含接头结构,因此该轴采用分段拼接式设计,便于缆线的安装与维护,进一步提升了系统在实际工程应用中的适应性与可靠性。

2.2 自脱钩装置

由于水下检测机器人与动力浮标的一体化布放需求,自动脱挂系统需具备远程控制操作与脐带缆释放/回收长度的实时监测功能。因此系统集成两个核心机构:其一为远程信号响应机构,负责接收岸基指令以实现挂钩的锁闭与释放;其二为缆线的长度计量机构,用于监测脐带缆的实际下放长度。

自脱钩装置整体采用上下对称式设计布局,结构如图3所示。中间部分设置压盖组件,用于与动力浮标进行结构连接,其内部集成计米轮机构,可实时检测脐带缆的释放与回收长度。上下对称单元主要由电推杆、三角连接板、锁舌、合页外壳等组成。其中电推杆驱动三角连接板作直线平移,进而带动锁舌结构实现开合动作。通过控制锁舌的开合状态,可实现挂钩轴机构的可靠锁闭与释放,从而完成一体化吊装过程中的自动脱挂钩功能。

由自脱钩装置工作原理可知,挂钩轴机构的轴头尺寸参数需要与锁舌对应的内径、电推杆的行程相匹配。根据图4所示自脱钩装置的机构原理可得:电推杆移动的行程s致使锁舌对应的内径d产生变化。假定挂钩轴机构的轴头小径D₁,大径为D₂,锁舌的长度为l,在初始时闭锁状态下,锁舌的最小内径为d₁,因此挂钩轴机构的直径需要满足

(1)D₂≥d₁≥D₁

电推杆驱动锁舌向上开口时,此时自脱钩装置为开锁状态,根据机构运动的几何关系可得锁舌对应的内径为

(2)d=d₁+2l(1-cosθ)

式(2)中:θ角度由锁舌长度l与行程s的关系可得。

根据挂钩轴机构的上锁要求可知,其外径需要满足

(3)d≥D₂

2.3 电信号连通

该自脱钩装置的远程控制系统采用无线串口模块实现通信,适用于室外水面作业环境。由于其控制逻辑相对简单,该系统被集成至水下智能检测机器人的整体控制子系统中,微控制单元(microcontroller unit,MCU)设置在动力浮标的控制舱内,通过与岸边基站操作面板的无线交互完成远程指令传输。自脱钩装置的控制系统结构如图5所示,操作面板配备按钮、显示屏与指示灯,通过无线串口与控制舱通信;控制舱再依据串口协议驱动电推杆执行脱钩、挂钩动作,并实时采集计米轮的脐带缆长度数据,进而实现脱钩闭锁与缆线长度监测的一体化控制^[18]。

2.4 自动脱挂系统整体布局

自动脱挂系统的整体结构布局如图6所示,动力浮标采用双体船设计,以提升其在作业环境中的稳定性。浮标中部通过三角支架安装自脱钩装置,水下机器人所使用的通信脐带缆自装置中部贯穿布置。挂钩轴机构分别固定于水下机器人和起重设备上,并与自脱钩装置相配合,从而支持整个系统的一体化布放与回收操作。

3 自脱钩装置运动与工作分析

3.1 静力学分析

在自脱钩装置的设计中,水下机器人通信所用的脐带缆对其尺寸起到了限制性作用,如图7所示为该脐带缆的实物图,其具体尺寸参数如表1所示。

为满足脐带缆贯通布置的要求,并尽可能减小自脱钩装置的整体尺寸,在外壳结构中设计了一处可开闭的槽口,通过铰链结构实现其启闭功能。作业时,脐带缆可经过该槽口安装至装置内部,防止因缆头尺寸过大而导致的装配干涉问题。

在基于工程实际确定自脱钩装置的主要参数后,需对关键承载部件进行强度校验。挂钩轴机构作为承受主要载荷的构件,其应力状态是评估装置结构可靠性的重要指标。综合考虑强度、成本与工艺性等因素,选定45号钢作为挂钩轴机构的材质属性,具体性能参数如表2所示。

同时对其进行应力校核,许用应力计算公式为

(4)σ=$\frac{\left[{\mathit{\sigma }}_{\mathrm{e}\mathrm{L}}\right]}{\mathit{n}}$

式(4)中:[σ_eL]为屈服强度极限;σ为许用应力;n为安全系数,其中此处选定安全系数为1.5。

已知自脱钩装置所承受最大应力为6 500 N,现针对挂钩轴机构进行有限元仿真,所得最终结果如图8所示,其最大应力为63.56 MPa,同时所产生最大位移为0.02 mm,均处于许用范围以内。

3.2 机构工作分析

自动脱挂系统的整体控制流程如图9所示,其设计以提高操作安全性与系统集成度为出发点,实现一体化布放与回收的自动化作业。具体流程如下:系统启动前,操作人员首先开启岸基控制面板及动力浮标控制舱电源,并确认水下机器人、起重设备均处于就绪状态。控制系统默认经由操作面板发送指令,人机交互界面简洁可靠,系统同时支持远程PC端作为冗余控制方式,以适应不同工况需求。

控制舱接收指令后,驱动电推杆执行相应动作:电推杆收缩确保挂钩轴机构的轴头能够进入装置内部,随后电推杆伸长推动锁舌结构锁定轴头,完成机械上锁,实现吊装过程中的可靠联接。起重设备随后将动力浮标与水下机器人整体吊放至水面,控制电推杆收缩实现锁舌释放,完成水下机器人的脱离。水下作业完成后,依据指令重复上述操作。最终经由同一系统实现两者的协同回收,完成了动力浮标与水下机器人的一体化布放与回收操作。

4 仿真及实验验证

4.1 仿真实验

根据自动脱挂系统的设计方案,在Adams软件中建立模拟仿真模型,具体数据如表3所示。

自动脱挂系统采用上下对称的双侧结构,鉴于起重设备工作时与上挂钩轴机构进行连接,而机器人与下挂钩轴机构连接,因此两侧挂钩轴机构作业时运行状态基本一致。为简化仿真过程,此处仅针对单侧装置进行分析。

如图10所示为自动脱挂系统工作过程的仿真结果,由于水下机器人在上锁过程中可能存在对接误差,因此对接初始时会出现一些接触扰动力。仿真开始时,电推杆处于收缩状态,卡扣处于张开位置,挂钩轴机构向装置内部运动[图10(b)];当挂钩轴机构运动至设计限位后,控制电推杆伸长,驱动锁舌闭合,完成挂钩轴机构的机械上锁[图10(c)];上锁后,自脱钩装置可安全承载挂钩轴机构上的负载并进行吊放作业[图10(d)]。

4.2 样机实验

为了验证所设计的自动脱挂系统是否满足水下检测机器人的应用需求,通过样机实验与多机协同测试进一步探究系统的可靠性与稳定性。样机的整体参数如表4所示。

如图11所示为本研究设计的原理样机,该样机为两组对称布置的对接机构,图11中展示了其中的一侧结构。样机主要由自脱钩装置及两个挂钩轴机构构成,通过内置电推杆驱动锁舌机构进行作业。

为验证所研制样机的作业性能,开展了该样机的挂钩实验,实验过程依次包括对接准备、对接微调、卡扣上锁、负载转移和卡扣开锁5个阶段,如图12所示为实验的流程图。实验采用承载绳模拟起重设备的吊放运行,由于样机采用了类球头副的设计,因此对接机构在存在对中误差的基础上能够进行对接修正,实现冗余功能。挂钩轴机构在下放至设定限位时,承载绳出现松弛,此时触发电推杆动作完成上锁。随后转移吊装负载至目标区域进行模拟作业。任务完成后由电推杆驱动锁舌执行脱锁操作。为进一步评估样机的可靠性,针对样机进行了启闭锁的重复性实验。在设定的80组重复试验中,样机实现了全部挂钩与脱钩的操作,成功率达100%,结果表明该系统具备优异的作业稳定性与工程适用性。

为验证自动脱挂系统在实际工况下的综合性能,本研究进一步开展了多机协同集成测试。实验在100 m×24 m×15 m的水池中进行,采用龙门架起重设备进行整体吊放作业,系统总质量为650 kg,实验装置与场地布置如图13所示。

多机协同实验的完整流程如图14(a)所示,该实验通过模拟高库大坝工程环境,开展了动力浮标与水下检测机器人的一体化布放及回收作业。实验过程中,起重设备通过自动脱挂系统与动力浮标、水下检测机器人实现可靠联接,脐带缆经装置中空结构贯穿布置,有效保障了水下作业的通信畅通。当机器人吊放至设定水深后,系统控制自脱钩装置完成自动脱锁,计米轮同步实现脐带缆释放长度的实时监测。待机器人作业状态稳定后,岸基操作人员远程控制动力浮标的脱离。在模拟环境测试的基础上,进一步在三峡右岸水电站开展实机现场试验,试验场景如图14(b)所示,结果表明该装置可有效完成工程实际中的布放、回收及脐带缆管理任务。上述实验结果均验证了所设计的自动脱挂系统在多机协同作业场景下运行协调、指令响应准确,整体工作性能稳定可靠,能够满足高库大坝复杂工程环境的实际应用要求。

5 结论

提出了一种基于杠杆锁舌机构与电动推杆驱动的自动脱挂系统,并成功应用于动力浮标与水下检测机器人的一体化布放与回收作业,得到如下结论。

(1)多机协同水下检测系统的一体化布放与回收是水下作业的关键环节,所提出的自动脱挂系统通过杠杆锁舌机构实现可靠闭锁与脱钩,结合电动推杆实现远程驱动,并集成计米轮机构对脐带缆释放与回收长度进行实时监测,有效解决了传统吊装设备依赖人工、协同效率低的问题,在原理样机80组重复性试验中成功率达100%,验证了其动作的合理性与可靠性。

(2)在100 m×24 m×15 m水池及三峡水电站现场,对总质量650 kg的实机开展多机协同布放与回收测试,结果表明该系统运行稳定,全程未出现脱钩或闭锁失效的情况。与现有装置相比,本系统具备远程控制与对接冗余等功能,取代了多人配合作业模式,显著提升了作业安全性与工作效率,展现出在复杂水下环境中良好的工程适应性与推广潜力。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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Received	Published	Revised
2025-10-30	2026-07-08	2026-03-19
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2026-08-06

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