海洋技術(shù) 深海作業(yè)型機(jī)器人總體設(shè)計(jì)及性能分析

海洋技術(shù)深海作業(yè)型機(jī)器人總體設(shè)計(jì)及性能分析

帶纜式水下機(jī)器人（ROV）作為一種潛深大、功能全面、用途廣泛

的科研與作業(yè)設(shè)備，已經(jīng)在船舶海洋工程、海洋地質(zhì)學(xué)和生物學(xué)等方面

體現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價(jià)值，許多國(guó)家都對(duì)ROV課題高度重視?，F(xiàn)階段

ROV的發(fā)展趨勢(shì)具有以下特點(diǎn)：①向高性能、高可靠性方向發(fā)展；②向

低成本和自動(dòng)化方向發(fā)展；③向更大作業(yè)深度發(fā)展；④ROV水下工作的

效率越來(lái)越高。

目前，水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法主要有型線優(yōu)化法、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

法與模塊法等。ManHyungLee開(kāi)發(fā)了一款可應(yīng)用于水下清掃船體表面

的機(jī)器人，并對(duì)該清掃機(jī)器人進(jìn)行試驗(yàn)論證。DanialKhojasteh設(shè)計(jì)

了一款可應(yīng)用于波斯灣海域開(kāi)采石油和天然氣的ROV,該款ROV可輔助

工作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行安裝調(diào)試。楊明巖在分析國(guó)內(nèi)外水下機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)

狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)可應(yīng)用于深海作業(yè)型ROV的機(jī)械手結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)

進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。孫朝陽(yáng)等為了實(shí)現(xiàn)在水下安裝溝槽式管道連接件的自

動(dòng)化，設(shè)計(jì)了一款基于仿生撲翼推進(jìn)方式的微小型仿生水下機(jī)器人。

本文首先對(duì)深海作業(yè)型ROV進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定各個(gè)模塊的布置形

式，基于粘流軟件計(jì)算本體結(jié)構(gòu)阻力性能以指導(dǎo)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用有

限元分析軟件校核了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

一、ROV總體方案設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)目標(biāo)

深海作業(yè)型ROV的設(shè)計(jì)目標(biāo)：⑴工作水深1200m；⑵設(shè)計(jì)前進(jìn)航速

3kn,下潛速度Ikn,能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)自由度（進(jìn)退、升沉、轉(zhuǎn)首、俯仰）運(yùn)

動(dòng)；⑶配有水下攝像機(jī)、聲吶設(shè)備對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行勘測(cè)；⑷配有2個(gè)液壓

式多自由度機(jī)械手在水下開(kāi)展特定作業(yè)。

2.設(shè)計(jì)思路

根據(jù)ROV實(shí)際工作環(huán)境與作業(yè)需求，確定機(jī)器人各組成模塊。本文基

于模塊化思想，以設(shè)計(jì)流程圖為引導(dǎo)，開(kāi)展面向深海作業(yè)型ROV本體的詳

細(xì)設(shè)計(jì)工作，包括對(duì)本體各模塊進(jìn)行材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；基于有限元方

法校核耐壓艙和框架模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，根據(jù)CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果確定本體所受

阻力，指導(dǎo)推進(jìn)系統(tǒng)的選型與結(jié)構(gòu)形式布置，最終完成樣機(jī)的虛擬裝配。

ROV的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

根據(jù)功能要求，部件選

型和設(shè)計(jì)

.

調(diào)

整

空

間

布

局

和

產(chǎn)

品

類

型

圖/ROV設(shè)計(jì)流程圖

二、ROV系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

深海作業(yè)型ROV本體結(jié)構(gòu)樣式復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的功能多樣，需要多系統(tǒng)模

塊配合來(lái)實(shí)現(xiàn)ROV特定的運(yùn)動(dòng)與工作需要，本次設(shè)計(jì)的作業(yè)型ROV主要包

括6個(gè)模塊。

水下照明模為

浮體模塊

本體框架模塊

聲吶模塊一^

動(dòng)力推進(jìn)模塊

機(jī)械作業(yè)模塊一^電源艙模塊

液壓系統(tǒng)模塊一/

控制艙模塊

圖2ROV模塊組成圖

1.本體框架模塊

本體框架是水下機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，為浮體模塊、耐壓艙模塊提供安

裝處所。設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考量框架的重量、水動(dòng)力學(xué)特性、是否便于零部件

安裝等因素。

水下機(jī)器人的外部框架通常采用的材料有不銹鋼、鋁合金、尼龍PA、

聚丙烯等。通過(guò)對(duì)比分析，并結(jié)合該ROV的實(shí)際作業(yè)環(huán)境，決定采用304

不銹鋼作為ROV本體框架的主要材料.，對(duì)承力較小的前端框架采用鋁合金

材料，以起到減輕結(jié)構(gòu)重量的目的，框架的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3本體框架結(jié)構(gòu)圖

R0V的外部框架采用開(kāi)架式設(shè)計(jì)，開(kāi)架式的設(shè)計(jì)方式不僅可有效控制

本體的重量，還便于機(jī)器人其他模塊的安裝與調(diào)試，降低了建造與維修的

成本，框架模塊的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1框架基本參數(shù)

結(jié)構(gòu)形式開(kāi)架式

材料鋁合金

尺寸/mm1900x1116x875

重量/kg119.48

2.耐壓艙模塊

ROV工作于水下1200m的深度，耐壓艙需要保證良好的耐壓性與水密

性。選用6061-t4鋁合金作為耐壓艙外殼體的制作材料，該材料具有屈服

強(qiáng)度大、耐腐性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是作為耐壓外殼的理想材料。

耐壓艙為控制系統(tǒng)的電路板提供安裝處所，經(jīng)過(guò)合理安排艙內(nèi)各結(jié)構(gòu)

件的空間布局，得出各電路模塊所需要的最小艙容，初步確定3個(gè)耐壓艙

的外形尺寸，其詳細(xì)尺寸見(jiàn)表2。

表2耐壓艙體基本參數(shù)

項(xiàng)目長(zhǎng)度/mm外徑/mm壁厚/mm

電源艙44526075

導(dǎo)航艙136954

控制艙2092207.5

各耐壓艙均采下目相同的結(jié)構(gòu)形式，即由1個(gè)圓筒形的主艙彳本和2枚圓

餅形的端蓋組成。為了保證水下密封性能，所有的耐壓艙體與端蓋之間采

用軸向與徑向密封相結(jié)合的密封方式，耐壓艙的裝配示意圖如圖4所示。

圖4耐壓艙裝配圖

作業(yè)型ROV的電子元器件數(shù)量多，額定功率大，艙內(nèi)元器件構(gòu)件在運(yùn)

行時(shí)產(chǎn)熱量極大，需要設(shè)計(jì)出1套合理的艙內(nèi)框架來(lái)保證優(yōu)良的散熱性

能。圖5為耐壓艙內(nèi)部散熱框架，4塊安裝板緊貼耐壓艙的內(nèi)壁可將電器

元件產(chǎn)生的熱量及時(shí)通過(guò)筒壁導(dǎo)入水中，保證了散熱的高效性。

圖5內(nèi)部散熱框架

3.機(jī)械作業(yè)模塊

該ROV配備了七自由度機(jī)械作業(yè)模塊，機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓機(jī)

械手前端作業(yè)模塊可以根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行靈活切換工作裝備，增強(qiáng)了設(shè)備

的通用性，液壓機(jī)械手三維模型圖如圖6所示。

圖6機(jī)械手示意圖

4.水下探測(cè)模塊

水下探測(cè)模塊作為水下機(jī)器人的眼睛，承載著水下結(jié)構(gòu)探測(cè)的重任。

該模塊由水下攝像、水下照明與聲吶3個(gè)子模塊組成，3個(gè)子模塊之間相

互配合，互為補(bǔ)充共同完成水下探測(cè)的任務(wù)。

水下攝像模塊由高清攝像機(jī)與外部的耐壓水密殼體構(gòu)成。攝像頭支持

4MP,3Mp高清分辨率，拍攝圖像清晰。攝像機(jī)外殼構(gòu)件包括：1個(gè)耐壓外

殼體、1個(gè)前部端蓋、1個(gè)平面透鏡及1個(gè)用于與框架進(jìn)行固定的后端

蓋。為保證耐壓殼體的密封性能，該耐壓殼體采用多道密封圈。水下攝像

機(jī)的具體參數(shù)如表3所示。

表3水下攝像機(jī)參數(shù)

尺寸/mm073x114

焦距/mm3.7-44.4

角度/(°)53.6

ROV在水下運(yùn)行時(shí)，水下幾乎為黑暗環(huán)境，ROV在運(yùn)行或機(jī)械手工作

時(shí)必須使用水下照明設(shè)備為其提供輔助光源。該ROV配備了1套水下照明

設(shè)備為系統(tǒng)提供輔助光源，水下燈的結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

圖7水下燈模型圖

5.動(dòng)力推進(jìn)模塊

為確定動(dòng)力模塊所需總推力，首先基于CFD數(shù)值求解軟件

Fine/Marine對(duì)ROV的本體阻力性能進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程采用k-3(SST-

Menter)湍流模型，k與3的值與雷諾數(shù)有關(guān)；采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算域模型網(wǎng)格如圖8所示。

圖8ROV計(jì)算模型網(wǎng)格

根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果，在直航狀態(tài)下，ROV以0.5?3.5kn的速度在水中

潛航時(shí)受到的阻力曲線如圖9所示。圖10為R0V下潛時(shí)受到的阻力曲

線。

r/kn

圖10ROV下潛阻力曲線圖

ROV以設(shè)計(jì)航速3kn直航時(shí)，受到的阻力為1052.96N,以1.5kn的速

度上浮時(shí)，本體受到的阻力為572.3N。機(jī)器人布置4部水平螺旋槳，因此

只需單個(gè)螺旋槳的推力達(dá)到265N,便可滿足使用要求。對(duì)于垂向推進(jìn)，布

置2部螺旋槳即可滿足使用要求。考慮到功率的損耗等各種因素，適當(dāng)增

加一定的推力裕度，本文采用35kg磁耦合水下推進(jìn)器，其基本參數(shù)見(jiàn)表

40

表4推進(jìn)器基本參數(shù)

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速/rmin-11800

槳葉數(shù)Z3

推力/N350

尺寸/mm(p190x90

重量/kg20

推進(jìn)模塊共由6部35kg磁耦合水下推進(jìn)器組成，其中4部螺旋槳為水

平布置，主要用于控制R0V的橫向與縱向運(yùn)動(dòng)，另外2部螺旋槳為垂向布

置，主要用于控制R0V垂向運(yùn)動(dòng)，具體布置方案見(jiàn)圖11。

圖11推進(jìn)器結(jié)構(gòu)布置圖

4部水平螺旋槳呈八字布置，螺旋槳發(fā)出的推力方向與軸線呈10°夾

角，這樣既可推動(dòng)R0V沿縱向運(yùn)動(dòng)，又可以在不改變螺旋槳安裝形式的基

礎(chǔ)上，使得特定的螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)R0V沿橫向運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)設(shè)

計(jì)的簡(jiǎn)潔性。垂向推進(jìn)器通過(guò)正反轉(zhuǎn)的改變，可推動(dòng)R0V進(jìn)行上浮或下

潛。

6.浮體模塊

ROV所有模塊安裝完畢后，其在水中受到的重力會(huì)明顯大于浮力。為

保證R0V具有一定的正浮力，需配備浮體模塊。選用密度為0.SOg/cm，的

空心玻璃微珠浮體，浮體塊外形為流線型，可有效降低ROV在航行中受到

的阻力，減小浮體迎流面慣性力導(dǎo)致的抬首力矩，改善ROV的水動(dòng)力性

能。浮體的基本參數(shù)見(jiàn)表5。

表5浮體材料基本參數(shù)

整體尺寸/mm1400x1100x415

重量/kg320

密度/g/cm，0.5

淡水浮力/kg639

耐壓強(qiáng)度/MPa>12

三、ROV本體結(jié)構(gòu)靜水力計(jì)算

利用三維建模軟件SolidWorks對(duì)水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行重力與浮力

計(jì)算及整體的重心與浮心位置調(diào)整。重力的計(jì)算需確定材料的屬性，通過(guò)

軟件特定模塊進(jìn)行匯總運(yùn)算。浮力的計(jì)算可依據(jù)阿基米德原理，根據(jù)結(jié)構(gòu)

物所排開(kāi)水的體積求得浮力，浮心位置的計(jì)算需要考慮結(jié)構(gòu)物是否為均質(zhì)

體。R0V重心、浮心具體調(diào)整過(guò)程如圖12所示。

建立參考坐標(biāo)系

圖12ROV重心和浮心調(diào)節(jié)流程圖

根據(jù)以上流程，對(duì)水下機(jī)器人的重心和浮心進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得出

整體質(zhì)量為590.43kg,所受浮力為689.66kg,遵循正浮力設(shè)計(jì)原則。通

過(guò)慣量架裝置測(cè)出ROV本體框架的慣性半徑，進(jìn)而計(jì)算得出框架結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)

動(dòng)慣量，如表6所示。

表6R0V重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

項(xiàng)目數(shù)值

重心坐標(biāo)/mm(-6.92,-8.32,427.56)

浮心坐標(biāo)/mm(-7.60,-7.32,611,10)

Ixx/kgm^72.30

lyy/kg-m^113.34

Izz/kg-m278.49

四、本體模塊強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析

R0V本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢之后，為保證結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，需要對(duì)

主要承壓部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與穩(wěn)定性校核。

1.框架模塊強(qiáng)度校核分析

本體框架上布置著浮體塊、耐壓艙等結(jié)構(gòu)件且框架多為桿型構(gòu)件，在

吊裝框架時(shí)需考慮框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，基于有限元分析軟件Simulation對(duì)

本體框架在垂直吊裝時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，考慮框架自身的重量因素，

參照框架實(shí)際的承載情況，框架各部位施加的載荷見(jiàn)表7,圖13為框架模

塊的有限元分析模型。

表7框架施加載荷情況

施加部位大小/N方向

整體質(zhì)量1194.8重力

承壓框架3381.5豎直向下

底面平板1500.0豎直向下

前端框架264.2豎直向下

圖13框架有限元分析模型

通過(guò)強(qiáng)度分析，框架的應(yīng)力云圖、合位移云圖分別如圖14和圖15所

ZJ「O

Vonmises/(Nnr2)

4.738e+007

4.344e+007

3.949e+007

3.554e+007

3.159e+007

2.764c+007

2.369e+007

1.974e+007

1.579c+OO7

l.l85e+()07

7.897e+006

3.949c+006

1.927e+001

圖14框架應(yīng)力分布云圖

URES/nmi

2.726e+000

2.499e+000

I-2.272e+000

-2.044c+000

-1.817e+000

-I.59()c+()()O

-I.363c+O(M)

-1.136C+000

-9.087C-001

-6.815e-001

-4.543e-001

B-2.272C-OO1

■1.000e-030

圖15框架合位移分布云圖

吊裝ROV整體時(shí)，框架最大應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)邊框架的尖角處，大小為

47.3MPa(小于許用應(yīng)力275MPa)。這是由于側(cè)邊框架傳遞了ROV結(jié)構(gòu)件

的重量，且該位置存在尖角，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。框架底板因布置了較多

結(jié)構(gòu)件，在該處出現(xiàn)了最大形變量2.73mm,但該尺寸遠(yuǎn)小于本體框架的特

征長(zhǎng)度(1900mm),綜合以上分析，框架模塊滿足使用要求。

2.耐壓艙強(qiáng)度校核與穩(wěn)定性分析

耐壓艙的工作水深為1200m,理論上可以承受大于12MPa的外部壓

力，在強(qiáng)度分析時(shí).，耐壓艙表面施加12MPa的均勻壓力載荷，具體分析結(jié)

果分別如圖16和圖17所示。

Vonmises/(Nm-2)

l.830e+008

1.677e+008

"1525e+008

■-1.372e+008

-1.220e+008

,-1.068e-K)08

-9.151C+007

-7.627c+(K)7

-6.103c+()()7

-4.579e+007

■-3,O55C+OO7

1.531e+OO7

6.697e+004

圖16框架模塊VonMises應(yīng)力云圖■

URES/min

5.039e-001

4.619e-001

4.199e-001

■-3.779e-001

-3.359c-0()i