海洋技术▏深海作业型机器人总体设计及性能分析
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课题高度重视。现阶段ROV的发展趋势具有以下特点：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。
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，并对该清扫机器人进行试验论证。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进行安装调试。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，并对该结构进行了实验研究。孙朝阳等为了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。
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。
一、ROV总体方案设计
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，能够实现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。
根据ROV实际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。
图1 ROV设计流程图
二、ROV系统模块设计
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主要包括6个模块。
图2 ROV模块组成图
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。
水下机器人的外部框架通常采用的材料有不锈钢、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，框架的结构形式如图3所示。
图3 本体框架结构图
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，框架模块的基本参数见表1。
表1 框架基本参数
结构形式 | 开架式 |
材料 | 铝合金 |
尺寸/mm | 1900×1116×875 |
重量/kg | 119.48 |
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，该材料具有屈服强度大、耐腐性强的优点，是作为耐压外壳的理想材料。
耐压舱为控制系统的电路板提供安装处所，经过合理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个耐压舱的外形尺寸，其详细尺寸见表2。
表2 耐压舱体基本参数
项目 | 长度/mm | 外径/mm | 壁厚/mm |
电源舱 | 445 | 260 | 75 |
导航舱 | 136 | 95 | 4 |
控制舱 | 209 | 220 | 7.5 |
各耐压舱均采用相同的结构形式，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。
图4 耐压舱装配图
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，需要设计出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。
图5 内部散热框架
该ROV配备了七自由度机械作业模块，机械手采用液压驱动，液压机械手前端作业模块可以根据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。
图6 机械手示意图
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个用于与框架进行固定的后端盖。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。
表3 水下摄像机参数
尺寸/mm | φ73×114 |
焦距/mm | 3.7～44.4 |
角度/（°） | 53.6 |
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必须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，水下灯的结构形式如图7所示。
图7 水下灯模型图
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。
图8 ROV计算模型网格
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如图9所示。图10为ROV下潜时受到的阻力曲线。
图9 ROV直航阻力曲线图
图10 ROV下潜阻力曲线图
ROV以设计航速3kn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，便可满足使用要求。对于垂向推进，布置2部螺旋桨即可满足使用要求。考虑到功率的损耗等各种因素，适当增加一定的推力裕度，本文采用35kg磁耦合水下推进器，其基本参数见表4。
表4 推进器基本参数
设计转速/r·min–1 | 1800 |
桨叶数Z | 3 |
推力/N | 350 |
尺寸/mm | φ190×90 |
重量/kg | 20 |
推进模块共由6部35kg磁耦合水下推进器组成，其中4部螺旋桨为水平布置，主要用于控制ROV的横向与纵向运动，另外2部螺旋桨为垂向布置，主要用于控制ROV垂向运动，具体布置方案见图11。
图11 推进器结构布置图
4部水平螺旋桨呈八字布置，螺旋桨发出的推力方向与轴线呈10°夹角，这样既可推动ROV沿纵向运动，又可以在不改变螺旋桨安装形式的基础上，使得特定的螺旋桨反向旋转，推动ROV沿横向运动，增强了结构设计的简洁性。垂向推进器通过正反转的改变，可推动ROV进行上浮或下潜。
ROV所有模块安装完毕后，其在水中受到的重力会明显大于浮力。为保证ROV具有一定的正浮力，需配备浮体模块。选用密度为0.50g/cm3的空心玻璃微珠浮体，浮体块外形为流线型，可有效降低ROV在航行中受到的阻力，减小浮体迎流面惯性力导致的抬首力矩，改善ROV的水动力性能。浮体的基本参数见表5。
表5 浮体材料基本参数
整体尺寸/mm | 1400×1100×415 |
重量/kg | 320 |
密度/g/cm3 | 0.5 |
淡水浮力/kg | 639 |
耐压强度/MPa | ≥12 |
三、ROV本体结构静水力计算
利用三维建模软件SolidWorks对水下机器人的结构件进行重力与浮力计算及整体的重心与浮心位置调整。重力的计算需确定材料的属性，通过软件特定模块进行汇总运算。浮力的计算可依据阿基米德原理，根据结构物所排开水的体积求得浮力，浮心位置的计算需要考虑结构物是否为均质体。ROV重心、浮心具体调整过程如图12所示。
图12 ROV重心和浮心调节流程图
根据以上流程，对水下机器人的重心和浮心进行调整，经过统计得出整体质量为590.43kg，所受浮力为689.66kg，遵循正浮力设计原则。通过惯量架装置测出ROV本体框架的惯性半径，进而计算得出框架结构的转动惯量，如表6所示。
表6 ROV重心的转动惯量
项目 | 数值 |
重心坐标/mm | （–6.92，–8.32，427.56） |
浮心坐标/mm | （–7.60，–7.32，611.10） |
Ixx/kg·m2 | 72.30 |
Iyy/kg·m2 | 113.34 |
Izz/kg·m2 | 78.49 |
四、本体模块强度与稳定性分析
ROV本体结构设计完毕之后，为保证结构的安全性与可靠性，需要对主要承压部件进行结构强度分析与稳定性校核。
本体框架上布置着浮体块、耐压舱等结构件且框架多为杆型构件，在吊装框架时需考虑框架的结构强度，基于有限元分析软件Simulation对本体框架在垂直吊装时的结构强度进行分析，考虑框架自身的重量因素，参照框架实际的承载情况，框架各部位施加的载荷见表7，图13为框架模块的有限元分析模型。
表7 框架施加载荷情况
施加部位 | 大小/N | 方向 |
整体质量 | 1194.8 | 重力 |
承压框架 | 3381.5 | 竖直向下 |
底面平板 | 1500.0 | 竖直向下 |
前端框架 | 264.2 | 竖直向下 |
图13 框架有限元分析模型
通过强度分析，框架的应力云图、合位移云图分别如图14和图15所示。
图14 框架应力分布云图
图15 框架合位移分布云图
吊装ROV整体时，框架最大应力出现在侧边框架的尖角处，大小为47.3MPa（小于许用应力275MPa）。这是由于侧边框架传递了ROV结构件的重量，且该位置存在尖角，产生应力集中现象。框架底板因布置了较多结构件，在该处出现了最大形变量2.73mm，但该尺寸远小于本体框架的特征长度（1900mm），综合以上分析，框架模块满足使用要求。
耐压舱的工作水深为1200m，理论上可以承受大于12MPa的外部压力，在强度分析时，耐压舱表面施加12MPa的均匀压力载荷，具体分析结果分别如图16和图17所示。
图16 框架模块Von Mises应力云图
图17 框架模块位移云图
可知，耐压舱在12MPa压力作用下，最大应力与最大位移均出现在舱盖中心处，最大应力183.0MPa，安全性系数1.5；结构最大位移0.5mm，满足CCS船级社2013年颁布的《潜水系统和潜水器入级与建造规规范要求》的强度要求。
耐压舱体在水下承受外压时，因载荷分布特殊，易出现失稳现象。采用经验公式对其稳定性进行校核。判断圆筒稳定性通常依据用Laime简化公式计算其临界压力。
PK＝2.6E×（(S/D)2.5/(L/D))
式中：L为圆筒长度；D为圆筒平均直径；S为壁厚；E为材料弹性模量。
本次所校核的电源舱长度为463mm，直径D为260mm，壁厚S为7.5mm。计算得到临界压力为34MPa，大于该耐压舱实际工作时所受到的外压12MPa，此耐压舱稳性符合要求。
五、结语
本文采用模块化与流程图相结合的设计思想，进行深海作业型ROV本体结构的详细设计，确定了各个模块的结构形式，明确了各个模块的安装位置，完成了虚拟样机的总体装配。最后对本体结构等关键部件进行了强度分析与稳定性校核，为实体样机搭建提供了可靠的理论指导和实践依据。
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END
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【作者简介】文/于庚 凌宏杰 王志东 姚震球，分别来自江苏科技大学船舶与海洋工程学院、江苏科技大学海洋装备研究院；第一作者于庚，男，1990年出生，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋结构物水动力性能；本文为基金项目，江苏省产业前瞻与共性关键技术资助项目(BE2017121)、南通市海洋经济创新发展示范项目；文章来自《舰船科学技术》（2020年第4期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑整理。
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