海洋技术 深海作业型机器人总体设计及性能分析

  深海作业型ROV本体结构样式复杂，实现的功能多样，需要多系统模块配合来实现ROV特定的运动与工作需要，本次设计的作业型ROV最重要的包含6个模块。

  本体框架是水下机器人的基础部分，为浮体模块、耐压舱模块提供安装处所。设计时需综合考量框架的重量、水动力学特性、是否便于零部件安装等因素。

  ROV工作于水下1200m的深度，耐压舱需要保证良好的耐压性与水密性。选用6061-t4铝合金作为耐压舱外壳体的制作材料，该材料具备屈服强度大、耐腐性强的优点，是作为耐压外壳的理想材料。

  耐压舱为控制管理系统的电路板提供安装处所，经过合理的安排舱内各结构件的空间布局，得出各电路模块所需要的最小舱容，初步确定3个耐压舱的外观尺寸，其详细尺寸见表2。

  带缆式水下机器人（ROV）作为一种潜深大、功能全面、用途广泛的科研与作业设备，已经在船舶海洋工程、海洋地质学和生物学等方面体现出了重要的应用价值，许多国家都对ROV课题格外的重视。现阶段ROV的发展的新趋势具有以下特点：①向高性能、高可靠性方向发展；②向低成本和自动化方向发展；③向更大作业深度发展；④ROV水下工作的效率越来越高。

  水下探测模块作为水下机器人的眼睛，承载着水下结构探测的重任。该模块由水下摄像、水下照明与声呐3个子模块组成，3个子模块之间相互配合，互为补充共同完成水下探测的任务。

  水下摄像模块由高清摄像机与外部的耐压水密壳体构成。摄像头支持4MP，3MP高清分辨率，拍摄图像清晰。摄像机外壳构件包括：1个耐压外壳体、1个前部端盖、1个平面透镜及1个用于与框架做固定的后端盖。为保证耐压壳体的密封性能，该耐压壳体采用多道密封圈。水下摄像机的具体参数如表3所示。

  图9 ROV直航阻力曲线 ROV下潜阻力曲线kn直航时，受到的阻力为1052.96N，以1.5kn的速度上浮时，本体受到的阻力为572.3N。机器人布置4部水平螺旋桨，因此只需单个螺旋桨的推力达到265N，便可满足使用上的要求。对于垂向推进，布置2部螺旋桨即可满足使用上的要求。考虑到功率的损耗等各种各样的因素，适当增加一定的推力裕度，本文采用35kg磁耦合水下推进器，其基本信息参数见表4。

  为确定动力模块所需总推力，首先基于CFD数值求解软件Fine/Marine对ROV的本体阻力性能进行计算，计算过程采用k-ω（SST-Menter）湍流模型，k与ω的值与雷诺数有关；采用六面体非结构化网格对计算模型进行网格划分，计算域模型网格如图8所示。

  根据CFD计算结果，在直航状态下，ROV以0.5～3.5kn的速度在水中潜航时受到的阻力曲线为ROV下潜时受到的阻力曲线 耐压舱体基本参数

  各耐压舱均采用相同的结构及形式，即由1个圆筒形的主舱体和2枚圆饼形的端盖组成。为了能够更好的保证水下密封性能，所有的耐压舱体与端盖之间采用轴向与径向密封相结合的密封方式，耐压舱的装配示意图如图4所示。

  根据ROV实际在做的工作环境与作业需求，确定机器人各组成模块。本文基于模块化思想，以设计流程图为引导，开展面向深海作业型ROV本体的详细设计工作，包括对本体各模块进行材料选择与结构设计；基于有限元方法校核耐压舱和框架模块结构强度，根据CFD数值计算结果确定本体所受阻力，指导推进系统的选型与结构及形式布置，最终完成样机的虚拟装配。ROV的详细设计流程图如图1所示。

  目前，水下机器人的设计方法主要有型线优化法、多学科设计优化法与模块法等。ManHyung Lee开发了一款可应用于水下清扫船体表面的机器人，并对该清扫机器人做试验论证。Danial Khojasteh设计了一款可应用于波斯湾海域开采石油和天然气的ROV，该款ROV可辅助工作人员对设备做安装调试。杨明岩在分析国内外水下机械手发展现状的基础上，设计可应用于深海作业型ROV的机械手结构，并对该结构可以进行了实验研究。孙朝阳等为实现在水下安装沟槽式管道连接件的自动化，设计了一款基于仿生扑翼推进方式的微小型仿生水下机器人。

  作业型ROV的电子元器件数量多，额定功率大，舱内元器件构件在运行时产热量极大，要设计出1套合理的舱内框架来保证优良的散热性能。图5为耐压舱内部散热框架，4块安装板紧贴耐压舱的内壁可将电器元件产生的热量及时通过筒壁导入水中，保证了散热的高效性。

  该ROV配备了七自由度机械作业模块，机械手采取了液压驱动，液压机械手前端作业模块能够准确的通过实际工况进行灵活切换工作装备，增强了设备的通用性，液压机械手三维模型图如图6所示。

  本文首先对深海作业型ROV进行详细设计，确定各个模块的布置形式，基于粘流软件计算本体结构阻力性能以指导推进系统模块设计，应用有限元分析软件校核了关键结构部件的强度与稳定性。

  深海作业型ROV的设计目标：⑴工作水深1200m；⑵设计前进航速3kn，下潜速度1kn，可以在一定程度上完成4个自由度（进退、升沉、转首、俯仰）运动；⑶配有水下摄像机、声呐设备对水下环境进行勘测；⑷配有2个液压式多自由度机械手在水下开展特定作业。

  水下机器人的外部框架一般会用的材料有不锈钢、铝合金、尼龙PA、聚丙烯等。通过对比分析，并结合该ROV的实际作业环境，决定采用304不锈钢作为ROV本体框架的主要材料，对承力较小的前端框架采用铝合金材料，以起到减轻结构重量的目的，框架的结构及形式如图3所示。

  ROV的外部框架采用开架式设计，开架式的设计方式不仅可有效控制本体的重量，还便于机器人其他模块的安装与调试，降低了建造与维修的成本，框架模块的基本信息参数见表1。

  ROV在水下运行时，水下几乎为黑暗环境，ROV在运行或机械手工作时一定要使用水下照明设备为其提供辅助光源。该ROV配备了1套水下照明设备为系统提供辅助光源，水下灯的结构及形式如图7所示。