用于深海网箱养殖的一种小型ROV结构设计

刘子浪，杨 芳，庄集超，张立群，张德立，苏 婷

(广东海洋大学，广东湛江 524088)

用于深海网箱养殖的一种小型ROV结构设计

刘子浪，杨 芳*，庄集超，张立群，张德立，苏 婷

(广东海洋大学，广东湛江 524088)

为解决桨舵式水下机器人螺旋桨结构靠近网箱时破坏网箱结构、伤害养殖生物的问题，本文提出一种双浮筒结构的ROV设计方案。通过研究深海网箱养殖的实际需求，对比多种水下机器人设计方案，对双浮筒结构工作原理进行了可行性分析。该结构通过利用活塞压缩空气改变设备重心、浮心位置以及浮力大小，使设备发生沉浮、横摇、纵倾动作,具有噪声弱、能耗低、适合长时间水下工作的优点。根据深海网箱养殖工作水深要求，对关键结构进行了理论计算和有限元仿真分析。该设备搭载有摄像头，可应用于水下实时监控，同时可通过改变自身浮力搭载吸鱼机、机械手等附加设备进行死鱼及残饵收集、分鱼收鱼、水下设备安装维护等相关作业。

水下机器人； 沉浮控制； 姿态控制； 活塞压缩空气

深海网箱养殖是一种高投入、高产值的养殖方式，同时亦是解决我国浅水海域和内湾进行高密度养殖污染的重要手段。国外如挪威、美国、日本为代表的国家经过多年的研究实践，现已成功得到推广；在我国，深海网箱养殖一直难以推广，研究认为关键因素在于其配套装置研发滞后[1-3]。深海网箱养殖主要配套设备有：水下监视器、水质监测系统、网箱清洗机、吸鱼机、自动投饵机等。笔者研究采用活塞压缩空气变体积式方案，设计出一种双浮筒结构，将其应用于小型ROV(有缆式水下机器人)的潜浮及姿态控制。采用这一结构设计的小型ROV可作为一种水下移动平台，代替人工作业提高工作效率。该ROV设计有可装载与拆卸附加设备的开架式框架，在更换搭载不同重量、形状的附加设备时，通过浮筒内活塞压缩空气改变自身浮力浮心、重心使ROV整体保持零浮力状态。笔者研究拟利用通用接口技术[4]，使水下机器人能按需更换如水质传感器、吸鱼器、机械手等附加设备，将其应用于深海网箱养殖中水下监视及水质监测、死鱼及残饵收集、分鱼收鱼、水下设备安装维护等相关作业。同时该设备在水下拍摄、深水探测、水下工程建设等领域也具有一定应用前景。

1 基于深海网箱养殖场景的设计方案选择

目前，国内研究设计的水下机器人有桨舵式、喷水推进式、鱼鳍仿生式、气控式、活塞式等[5-8]，除桨舵式水下机器人在市场得到大量应用，其他多应用于特定场合。桨舵式水下机器人的优势在于多采用模块化设计，其核心部件防水电机、螺旋桨均已标准化生产，可按需求选用，结构简单、成本低。ROV在水中共有6个自由度，包括：进退、横移、沉浮、转艏、横摇、纵倾，桨舵式水下机器人采用螺旋桨产生反作用力以进行水下沉浮及姿态控制，一个螺旋桨产生的推力只能控制单个自由度，深海网箱养殖由于水下环境复杂，需要水下机器人进行多自由度控制，过多的螺旋桨会增加水下机器人靠近网箱时破坏网箱结构、伤害养殖生物的风险。桨舵式水下机器人水下工作时，螺旋桨持续运作产生震动、噪声问题。水下机器人用于长时间的水下监视、监测，带负载作业时，桨舵式水下机器人需要螺旋桨持续工作以保持水下定深控制和整体姿态平衡，存在能耗高的问题。

压缩空气变体积的设计方法一般应用于潜艇等大型潜水器，这一设计不需要螺旋桨持续工作以保持水下定深和姿态平衡，适合进行长时间水下作业。相比波纹管、气囊等压缩空气的方法，活塞存在动密封困难的问题，但其优点是控制精度高、行程长，在水下设备中的应用具有一定的优势。上海大学的翟宇毅等人设计了一种单缸活塞式超小型水下机器人，并设计出数字 PID 控制器实现了设备的沉浮控制[8]；合肥工业大学的刘振东等人利用活塞结构设计了一种水下机器人适用的深海活塞式压力补偿器[9]；中国矿业大学的孙旭光等人利用活塞和高压气瓶设计了一种气控式水下机器人[10]；广州航海学院的何新英等人利用活塞式结构设计了一种有缆式水下机器人升沉补偿液压系统，采用了神经元自适应PID控制算法对水下机器人进行控制[11]。由上述文献资料可知，活塞式结构在水下设备已经具有较为广泛的应用，设计上有先例可供参考。笔者参照活塞压力补偿器设计出一种双浮筒结构的水下机器人，该水下机器人通过精确控制浮筒内活塞位置压缩空气以改变设备整体浮力大小、重心、浮心位置进行设备整体的潜浮及姿态控制，通过搭载两个推进器利用差速进行进退、转艏控制，实现设备整体的多自由度控制。

2 ROV结构设计及控制原理

2.1ROV整体设计

图1 ROV外形渲染图Fig. 1 ROV rendering picture of appearance

图2 水下工作效果示意图Fig. 2 Diagrammatic sketch of operation performance underwater

水下机器人结构如图1、2所示，主要由两个并排浮筒、推进装置和开架式框架结构组成。开架式框架两侧设计有夹持结构便于设备投放与回收，框架下方搭载有耐压电子舱、摄像头、照明灯、水压计、流量仪、高清360度摇镜头、水下环境监测传感器等装置。电子舱内有32位高性能控制器、六轴传感器、温度压力传感器。考虑到水下浪流复杂，研究采用模糊PID控制算法设计闭环控制器[12]，通过采集设备所处水深信息、六轴状态数据，数据卡尔曼滤波处理后进行求解，通过闭环控制器进行动态调节稳定水下机器人水深、姿态。浮筒内部具有气压计、温度传感器等设备自检模块，可实时监测浮筒内部状态，发现泄气、漏水等问题。框架下方设计有螺栓位，用于安装更换附加设备，电子舱通过航空接头引出多芯接口与附加设备进行连接控制。

水下机器人在更换搭载附加设备时，双浮筒结构中活塞压缩空气改变自身浮力大小保持整体零浮力状态。这一带负载能力M由压缩空气的体积改变量决定，具体取决于浮筒内径D、活塞行程L。

(1)

式中：K为预留体积系数，ρ为水密度。由公式知，在压缩预留体积占比不变的情况下，浮筒内径越大、活塞行程越长，带负载能力越好。同时活塞直径变大、行程增加会使动密封难度提高，所以需要根据实际需求做出取舍。经过研究深海网箱养殖配套设备的相关信息，笔者以带负载能力40 kg进行设计，根据国标Y形密封圈尺寸规格参数选取浮筒内径为0.32 m，活塞行程0.15 m，通过SolidWorks进行建模仿真分析。考虑到深海网箱养殖的网箱深度一般在7 m～15 m，工作水深较为稳定，在水下机器人领域属于浅水作业。为保证水下工作稳定性、提高浮筒结构的耐压能力，笔者以30 m作为设计最大水深，研究通过单向气阀向浮筒内预加一定的气压进行压力平衡，为使浮筒结构水下工作时保持最佳状态，预加压力值应满足在预定水深工作时浮筒内外压力值基本相同。预加气压值可通过多次试验测试得出，亦可以通过理论计算得出,由公式：

P外=P气+ρgh0

(2)

式中：P外为工作水深水压，P气为大气压强，g为重力加速度，h0为工作水深，计算出环境水压的绝对值(本文所提到的气压值皆为绝对气压)，笔者以设计最大水深作为工作水深为例进行计算。由理想气体状态方程：

pV=nRT

(3)

式中：p为浮筒内部气压，V为浮筒内空气体积，T为热力学温度，n为气体物质的量，R为常数。n、T皆可视为常量，由此浮筒内气压p的值取决于浮筒内空气体积V，即活塞压缩空气的行程变化量。浮筒内空气体积V可通过SolidWorks结构仿真计算或实验得出。笔者经过仿真分析，活塞处于行程外极限时即浮筒内空气体积最大值，为76.8 L。由公式(3)，设定活塞处于行程外极限记为状态1，可知该状态对应浮筒内气压即为预充气气压值；活塞行程位置为满足带负载40 kg的水下工作状态设为状态2，令此状态对应浮筒内气压等于公式(2)算得的30 m水深工作水压。结合公式(1)可计算出活塞行程变化量，得出状态2浮筒内部体积为64.8 L，联立状态方程1、2，可算出状态1浮筒内部气压为3.4×105Pa，这一数值可作为预加气压的参考值。

2.2浮筒结构设计

图3 浮筒内部结构示意图Fig. 3 Schematic diagram of internal structure of pontoon1.过滤装置，2.活塞结构，3.抗扭钢管，4.丝杆，5.连接板，6.齿轮组，7.直角固定件，8.离合器，9.双轴步进电机，10机架，11.带座轴承，12.导向杆，13.双向推力球轴承装置，14.连接杆.1. filter device, 2. piston structure, 3. torsion steel, 4. wire rod, 5. connecting plates, 6. gear sets， 7. rectangular fixing piece, 8. clutch, 9. axis stepper motor, 10. frame, 11. bearings, 12. guide rods, 13. two-way thrust ball bearing device, 14. connecting rod.

如图3浮筒内部结构示意图示，浮筒内双轴步进电机两端分别连接电控牙嵌式离合器，离合器连接传动轴通过圆柱齿轮传动带动梯形丝杆转动。活塞连接板上的丝杆螺母将转动转变为两端活塞的往复运动，电机两端的离合器控制电机轴与传动轴的接合，使两端活塞可分别或同时动作，从而改变水下机器人重心、浮心位置以及浮力大小。

沉浮及姿态控制主要工作原理如图4、5所示：

图4 沉浮、姿态控制传动链Fig. 4 Transmission chain for sink, floating and attitude control

图5 潜浮、姿态控制原理示意图Fig. 5 Schematic diagram of the attitude control system

①若两浮筒两端活塞同时压缩或扩张同样的体积，则可以设备保持重心、浮心位置不变，浮力大小改变，使水下机器人稳定上浮或下潜。

②若一个浮筒两端活塞压缩体积，另一个浮筒扩张同样的体积，则可以保持重力、浮力大小不变，同时，浮心位置沿Y轴方向位移，产生无法平衡的力矩，使水下机器人横摇。

③若两浮筒一端活塞向内运动，另一端活塞向外运动，两端的运动量保持一致，则重力、浮力大小不变，浮心位置沿X轴方向位移，使水下机器人纵倾。

2.3传动系统设计与受力分析

图6 传动系统示意图Fig.6 schematic diagram for transmission system

如图6传动系统示意图所示，浮筒内部结构左右对称，双轴步进电机上电机轴端通过法兰件与离合器连接，离合器与传动轴连接，传动轴通过与嵌在机架上的轴承配合进行定位。传动轴上装有小齿轮，丝杆上装有大齿轮，两齿轮啮合将扭矩传递到丝杆上。丝杆一端通过丝杆螺母与活塞机构连接，另一端通过双向推力球轴承装置固定，同时通过与嵌在机架上的轴承配合进行定位。双向推力球轴承装置一端通过支撑柱固定到机架上，同时连接杆通过双向推力球轴承装置内部并固定，将浮筒两端双向推力球轴承装置进行连接固定，从而抵消浮筒内活塞装置传递过来的拉力与压力。这一设计大大减小机架所受拉力，简化机架的设计要求，可减轻机架重量。

3 重要结构设计及有限元分析

3.1活塞密封设计

图7 活塞密封示意图Fig.7 Schematic diagram of piston seals

据文献介绍[13]，影响活塞密封效果的影响因素主要有：润滑状态、接触压力与相对滑动速度、表面粗糙度、密封间隙、配合副材料。如图7活塞密封示意图所示，活塞两边分别为海水、空气，笔者选用聚四氟乙烯PTFE材料的双Y形密封圈，利用组合密封方法进行动密封设计[14]。双Y形密封圈具有稳定性好、耐压性较好、密封装置结构简单的优点，适合直线往复运动的密封要求。聚四氟乙烯PTFE材料具有自润滑性好、耐高压耐腐蚀、摩擦系数低的特点，适合干湿两用的水下环境。如图3浮筒内部结构示意图，浮筒设计有过滤装置，可以提高水体洁净度，改善润滑条件。接触压力与相对滑动速度对活塞密封性能的影响十分重要，接触压力过大可能会导致摩擦力过大产生爬行现象，根据30m水深的设计要求，取附加压力4×105Pa对Y型密封圈裙部表面结构的模型实验与有限元模拟研究[15]，对活塞进行静力学有限元仿真实验。如图8活塞-密封圈有限元分析图所示，分析结果显示双Y型密封圈在压力下变形量在可接受范围内，不影响往复运动，这表明选用的双Y型密封圈满足水下工作要求。活塞整体应力较小，应力集中主要在连接杆开孔位置，符合预期。

图8 活塞-密封圈有限元分析图Fig.8 Diagram for the finite element analysis of piston-seal ring

3.2浮筒设计

浮筒内包含有步进电机、温度与气压传感器、离合器等不防水模块，如果浮筒漏水或者严重变形将直接导致电路短路，因此笔者对浮筒结构进行了优化设计和耐压有限元仿真试验[15]。由于笔者采用了预加气压的压力平衡措施，处于工作水深时浮筒内外压力差为零，为提供最优的仿真结果，本文对浮筒工作时压差最大的状态进行有限元仿真分析，结合上文公式(1)(2)(3)，可计算出活塞处于任意位置时浮筒内气压值，经过计算活塞处于浮筒内限时，浮筒内气压值最大为4.94×105Pa，使用这一数值进行有限元仿真较为合适。结构上，为减轻设备体积，浮筒采用3mm厚高强度铝合金材料，针对活塞密封要求对浮筒内活塞行程范围进行精加工、表面抛光处理。考虑到水下环境的复杂性，浮筒设计应尽量减少开孔，减少对浮筒强度的削弱。笔者在常规的四孔固定机架的基础上进行改进，设计出圆弧状一体式机架将浮筒固定孔减少到两个，对浮筒四处开孔的孔位做了加厚处理。经过有限元仿真静态位移分析，结果显示在加内压的情况下，设计的浮筒外壳整体变形量较小，变形主要集中位置有孔径较大的出线孔、气阀孔，固定孔孔位变形量较小，整体变形量均处于安全数值，这说明一体式机架减少固定开孔对提高浮筒外壳整体强度、稳定性有较好效果，该浮筒设计满足工作要求。

4 讨论

该水下机器人结构采用压缩空气变体积的设计方案，相比同类多自由度水下机器人，该设备在不使用螺旋桨的情况下以双浮筒结构实现水下机器人沉浮、横摇、纵倾三个自由度控制，具有水下工作稳定性高、低能耗、带负载能力强的特点。本文根据深海网箱养殖的实际工作需求，对设备工作原理进行了可行性分析并给出了解决方案，对重要机械结构和相关数据进行了有限元仿真分析和计算分析，为下一步实物制作提供理论依据。

由于活塞结构对浮筒变形量要求苛刻，该设备耐压能力不强；同时，活塞结构对零件的加工、装配精度要求高，造成设备的制造、维护成本较高。因此，在实际研发中，还应充分考虑机器人的工作深度与建造成本，从而推动该水下机器人的应用与推广。

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StructuredesignofasmallROVfordeepseacageculture

LIU Zi-lang, YANG Fang*, ZHUANG Ji-chao, ZHANG Li-qun, ZHANG De-li, SU Ting

(GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang524088,China)

In order to solve the problems of breaking the cage structure and hurting the breeding organisms when the propeller structures of the paddle rudder underwater robot approaching the cages, in this paper, a ROV design scheme with double pontoon structures was presented. By researching the actual demands from deep-sea cage culture, compared with various designs of underwater robots, the feasibility analysis of the double buoy structure was carried out. The structure compressed air by pistons to change the device barycentre, the position and size of buoyancy to make the equipment sinking and floating, rolling and pitching, with advantages of weak noise, low energy consumption, suitable for long time underwater work. According to the requirement of water depth in deep sea cage culture, the key structures were theoretically calculated and then analyzed by the finite element simulation. The device was equipped with a camera which could be applied for real-time underwater monitoring. And by changing its buoyancy, it could carry additional devices like quillback machines and manipulators to collect the dead fishes and residual feeds, do the fish distribution and collection, finish the underwater equipment installation and maintenance, and so on.

Underwater robot; floating control; attitude control; piston compressed air

2095-3666(2017)03-0211-06

10.13233/j.cnki.fishis.2017.03.009

2017-04-07

：2017-06-05

广东海洋大学大学生创新创业训练计划项目(CXXL2017020) ;广东海洋大学创新强校工程省专项资金支持建设项目(Q14209);广东省工程技术研究中心)—广东省海洋装备及制造工程技术研究中心项目;广东省科技攻关项目(2014A020208118)

刘子浪(1994-)，广东人，本科，机械设计制造及其自动化。E-mail：982838075@qq.com

杨 芳(1984-)，女，山东人，硕士，讲师，机械设计制造及其自动化。E-mail：625843197@qq.com

S 951.3

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