臺灣博碩士論文加值系統

利用遙控式水下載具(Remotely operated underwater vehicle, ROV)搭載推擠式採樣器(Push corer)進行海床表面沈積物採集，具有精準定位、海床影像資訊辨識輔助，以及容易達成小區域密集採樣的優點。目前所見推擠式採樣器之採集作業，皆是透過駕駛員操縱ROV上搭載的機械手臂來執行。然而，藉由操控機械手臂來夾取推擠式採樣器完成沉積物採樣，需要熟練的操作人員，否則將影響作業效率。同時，在海況欠佳的作業環境下，即便熟練的操作人員欲透過水下影像，操作機械手臂夾取推擠式採樣器完成採樣動作，亦是一件不容易的任務。此外，對於一些中小型ROV而言，通常難以配備高自由度之機械手臂，以致於無法利用推擠式採樣器完成沉積物採樣。若能利用自動化機構運轉達成推擠式採樣器之作動，便可以不需透過機械手臂就能執行海床表面沉積物的採集，推擠式採樣器也將能應用於中小型ROV上。因此，本研究利用數控工具機的自動換刀裝置與刀具軸的概念，開發可搭配ROV之單動力源自動推擠式採樣系統(Automatic Push Corer，APC)。APC具有四個子系統，分別為垂直採樣系統、旋轉換管系統、保護機架，以及電力和通訊媒介。垂直採樣系統由傳動齒輪組、齒條及夾具組成；旋轉換管系統由傘齒輪對、日內瓦機構、轉軸及轉盤組成；保護機架包含馬達固定座與支撐架；電力和通訊媒介係連接APC致動器與ROV水密接線盒之水密電纜。透過垂直採樣系統與旋轉換管系統之機構組合，APC致動器可藉由傳動軸，將動力同時傳遞到此兩系統，並達到先採樣、後換管之功能。APC致動器以及垂直採樣和旋轉換管系統之機件，均安裝於馬達固定座上。支撐架係為保護轉盤機件與採樣管，並使APC於採樣時能穩固地坐底。水密電纜使APC致動器之工作電壓、控制訊號，能經由工作母船、ROV而傳送至APC，並使APC致動器之回授訊號，能經由ROV而回傳至工作母船。

The method of using a remotely underwater vehicle (ROV) equipped with push corers to collect marine sediments has fundamental advantages, including precise localization of coring sites, visual recognition assistance from seafloor images, and high-density sampling within a small area. Currently, an ROV that aims to collect marine sediments is always equipped with robotic arms, which are manipulated by a pilot on the surface vessel to carry out sediment sampling through push corers. However, a well-trained pilot is required to assure sampling efficiency. Even to a well-trained pilot, it is still challenging to perform sediment sampling by manipulating robotic arms under bad weather. Moreover, it is essentially infeasible to install robotic arms with high degrees of freedom on small and medium-sized ROVs, causing that sediment sampling is typically excluded from the to-do list of those ROVs. Inspired by the automatic tool changer (ATC) and tool spindle of a computer numerical control (CNC) machine, this research develops a single actuator automatic push corer (APC) that can be integrated with an ROV as a payload device for sediment sampling purposes. The APC has four subsystems, including a vertical sampler, a rotating tube changer, a protective frame, and an electric power and communication medium. The vertical sampler consists of a transmission gear set, a rack, and a clamp. The rotating tube changer consists of a bevel gear pair, a Geneva mechanism, a shaft, and a turntable. The protective frame consists of a motor base and a supporting frame. The electric power and communication medium is a watertight cable that connects the APC actuator to the ROV junction box. Through the combination of the vertical sampler and rotating tube changer, the APC actuator can simultaneously drive these two subsystems to perform the sampling and tube changing sequentially. The APC actuator and components of the vertical sampler and rotating tube changer are all mounted on the motor base. The supporting frame protects the turntable and sampling tubes and allows the APC to firmly settle on the seafloor during sediment sampling. The watertight cable allows the operating voltage and control signals for the APC actuator to be transmitted to the APC from a mother ship through the ROV; it also allows the feedback signals of the APC actuator to be returned back to the mother ship through the ROV.

論文審定書. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
誌謝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
圖目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
表目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
第一章緒論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 前言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 動機與目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 論文架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
第二章APC 機構概念設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 APC 活動子系統執行動作確認. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 推擠式採樣器選用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 直線式換管工作空間評估. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3 旋轉式換管工作空間評估. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.4 執行動作選擇. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 採樣系統執行機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 直動從動件盤形凸輪機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 滑塊曲柄機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3 螺旋機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.4 齒輪齒條機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.5 執行機構選擇. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 換管系統執行機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.1 摩擦傳動機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2 齒輪對傳動機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 執行機構選擇. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 雙/單動力源APC 概念設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.1 雙動力源APC 機構概念設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2 單動力源APC 機構設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
第三章單動力源APC 細部設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1 單/雙動力源設計方案決策. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.1 水下旋轉致動器選用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1.2 雙動力源APC 輸出壓力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.3 單動力源APC 輸出壓力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.4 單/雙動力源設計方案比較. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 垂直採樣系統之機構設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 傳動齒輪組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.2 齒條與夾具設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3 旋轉換管系統之機構設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.1 傘齒輪與日內瓦機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4 保護機架之設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.1 馬達固定座. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.2 支撐架. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5 電力及通訊系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.5.1 電力系統架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.5.2 通訊系統架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
第四章APC 組裝與測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1 APC 組裝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 APC 系統測試與修改. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3 討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
第五章APC 單機採樣測試規劃. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.1 單機採樣測試所需電力系統設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.2 單機採樣測試通訊系統設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3 單機採樣測試微控制器程式設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.4 單機採樣測試操作流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5 單機採樣測試總體機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
第六章結論與建議. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

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