劉子浪，楊 芳，莊集超，張立群，張德立，蘇 婷

(廣東海洋大學(xué)，廣東湛江 524088)

用于深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的一種小型ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉子浪，楊 芳*，莊集超，張立群，張德立，蘇 婷

(廣東海洋大學(xué)，廣東湛江 524088)

為解決槳舵式水下機(jī)器人螺旋槳結(jié)構(gòu)靠近網(wǎng)箱時(shí)破壞網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)、傷害養(yǎng)殖生物的問(wèn)題，本文提出一種雙浮筒結(jié)構(gòu)的ROV設(shè)計(jì)方案。通過(guò)研究深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的實(shí)際需求，對(duì)比多種水下機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，對(duì)雙浮筒結(jié)構(gòu)工作原理進(jìn)行了可行性分析。該結(jié)構(gòu)通過(guò)利用活塞壓縮空氣改變?cè)O(shè)備重心、浮心位置以及浮力大小，使設(shè)備發(fā)生沉浮、橫搖、縱傾動(dòng)作,具有噪聲弱、能耗低、適合長(zhǎng)時(shí)間水下工作的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖工作水深要求，對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計(jì)算和有限元仿真分析。該設(shè)備搭載有攝像頭，可應(yīng)用于水下實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可通過(guò)改變自身浮力搭載吸魚機(jī)、機(jī)械手等附加設(shè)備進(jìn)行死魚及殘餌收集、分魚收魚、水下設(shè)備安裝維護(hù)等相關(guān)作業(yè)。

水下機(jī)器人； 沉浮控制； 姿態(tài)控制； 活塞壓縮空氣

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖是一種高投入、高產(chǎn)值的養(yǎng)殖方式，同時(shí)亦是解決我國(guó)淺水海域和內(nèi)灣進(jìn)行高密度養(yǎng)殖污染的重要手段。國(guó)外如挪威、美國(guó)、日本為代表的國(guó)家經(jīng)過(guò)多年的研究實(shí)踐，現(xiàn)已成功得到推廣；在我國(guó)，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖一直難以推廣，研究認(rèn)為關(guān)鍵因素在于其配套裝置研發(fā)滯后[1-3]。深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖主要配套設(shè)備有：水下監(jiān)視器、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、網(wǎng)箱清洗機(jī)、吸魚機(jī)、自動(dòng)投餌機(jī)等。筆者研究采用活塞壓縮空氣變體積式方案，設(shè)計(jì)出一種雙浮筒結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用于小型ROV(有纜式水下機(jī)器人)的潛浮及姿態(tài)控制。采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的小型ROV可作為一種水下移動(dòng)平臺(tái)，代替人工作業(yè)提高工作效率。該ROV設(shè)計(jì)有可裝載與拆卸附加設(shè)備的開架式框架，在更換搭載不同重量、形狀的附加設(shè)備時(shí)，通過(guò)浮筒內(nèi)活塞壓縮空氣改變自身浮力浮心、重心使ROV整體保持零浮力狀態(tài)。筆者研究擬利用通用接口技術(shù)[4]，使水下機(jī)器人能按需更換如水質(zhì)傳感器、吸魚器、機(jī)械手等附加設(shè)備，將其應(yīng)用于深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖中水下監(jiān)視及水質(zhì)監(jiān)測(cè)、死魚及殘餌收集、分魚收魚、水下設(shè)備安裝維護(hù)等相關(guān)作業(yè)。同時(shí)該設(shè)備在水下拍攝、深水探測(cè)、水下工程建設(shè)等領(lǐng)域也具有一定應(yīng)用前景。

1 基于深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖場(chǎng)景的設(shè)計(jì)方案選擇

目前，國(guó)內(nèi)研究設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人有槳舵式、噴水推進(jìn)式、魚鰭仿生式、氣控式、活塞式等[5-8]，除槳舵式水下機(jī)器人在市場(chǎng)得到大量應(yīng)用，其他多應(yīng)用于特定場(chǎng)合。槳舵式水下機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)在于多采用模塊化設(shè)計(jì)，其核心部件防水電機(jī)、螺旋槳均已標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可按需求選用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。ROV在水中共有6個(gè)自由度，包括：進(jìn)退、橫移、沉浮、轉(zhuǎn)艏、橫搖、縱傾，槳舵式水下機(jī)器人采用螺旋槳產(chǎn)生反作用力以進(jìn)行水下沉浮及姿態(tài)控制，一個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的推力只能控制單個(gè)自由度，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖由于水下環(huán)境復(fù)雜，需要水下機(jī)器人進(jìn)行多自由度控制，過(guò)多的螺旋槳會(huì)增加水下機(jī)器人靠近網(wǎng)箱時(shí)破壞網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)、傷害養(yǎng)殖生物的風(fēng)險(xiǎn)。槳舵式水下機(jī)器人水下工作時(shí)，螺旋槳持續(xù)運(yùn)作產(chǎn)生震動(dòng)、噪聲問(wèn)題。水下機(jī)器人用于長(zhǎng)時(shí)間的水下監(jiān)視、監(jiān)測(cè)，帶負(fù)載作業(yè)時(shí)，槳舵式水下機(jī)器人需要螺旋槳持續(xù)工作以保持水下定深控制和整體姿態(tài)平衡，存在能耗高的問(wèn)題。

壓縮空氣變體積的設(shè)計(jì)方法一般應(yīng)用于潛艇等大型潛水器，這一設(shè)計(jì)不需要螺旋槳持續(xù)工作以保持水下定深和姿態(tài)平衡，適合進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間水下作業(yè)。相比波紋管、氣囊等壓縮空氣的方法，活塞存在動(dòng)密封困難的問(wèn)題，但其優(yōu)點(diǎn)是控制精度高、行程長(zhǎng)，在水下設(shè)備中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢(shì)。上海大學(xué)的翟宇毅等人設(shè)計(jì)了一種單缸活塞式超小型水下機(jī)器人，并設(shè)計(jì)出數(shù)字 PID 控制器實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的沉浮控制[8]；合肥工業(yè)大學(xué)的劉振東等人利用活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種水下機(jī)器人適用的深?；钊綁毫ρa(bǔ)償器[9]；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的孫旭光等人利用活塞和高壓氣瓶設(shè)計(jì)了一種氣控式水下機(jī)器人[10]；廣州航海學(xué)院的何新英等人利用活塞式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種有纜式水下機(jī)器人升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)，采用了神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行控制[11]。由上述文獻(xiàn)資料可知，活塞式結(jié)構(gòu)在水下設(shè)備已經(jīng)具有較為廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)上有先例可供參考。筆者參照活塞壓力補(bǔ)償器設(shè)計(jì)出一種雙浮筒結(jié)構(gòu)的水下機(jī)器人，該水下機(jī)器人通過(guò)精確控制浮筒內(nèi)活塞位置壓縮空氣以改變?cè)O(shè)備整體浮力大小、重心、浮心位置進(jìn)行設(shè)備整體的潛浮及姿態(tài)控制，通過(guò)搭載兩個(gè)推進(jìn)器利用差速進(jìn)行進(jìn)退、轉(zhuǎn)艏控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備整體的多自由度控制。

2 ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制原理

2.1ROV整體設(shè)計(jì)

圖1 ROV外形渲染圖Fig. 1 ROV rendering picture of appearance

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

水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，主要由兩個(gè)并排浮筒、推進(jìn)裝置和開架式框架結(jié)構(gòu)組成。開架式框架兩側(cè)設(shè)計(jì)有夾持結(jié)構(gòu)便于設(shè)備投放與回收，框架下方搭載有耐壓電子艙、攝像頭、照明燈、水壓計(jì)、流量?jī)x、高清360度搖鏡頭、水下環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器等裝置。電子艙內(nèi)有32位高性能控制器、六軸傳感器、溫度壓力傳感器。考慮到水下浪流復(fù)雜，研究采用模糊PID控制算法設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器[12]，通過(guò)采集設(shè)備所處水深信息、六軸狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)卡爾曼濾波處理后進(jìn)行求解，通過(guò)閉環(huán)控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)穩(wěn)定水下機(jī)器人水深、姿態(tài)。浮筒內(nèi)部具有氣壓計(jì)、溫度傳感器等設(shè)備自檢模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)浮筒內(nèi)部狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)泄氣、漏水等問(wèn)題。框架下方設(shè)計(jì)有螺栓位，用于安裝更換附加設(shè)備，電子艙通過(guò)航空接頭引出多芯接口與附加設(shè)備進(jìn)行連接控制。

水下機(jī)器人在更換搭載附加設(shè)備時(shí)，雙浮筒結(jié)構(gòu)中活塞壓縮空氣改變自身浮力大小保持整體零浮力狀態(tài)。這一帶負(fù)載能力M由壓縮空氣的體積改變量決定，具體取決于浮筒內(nèi)徑D、活塞行程L。

(1)

式中：K為預(yù)留體積系數(shù)，ρ為水密度。由公式知，在壓縮預(yù)留體積占比不變的情況下，浮筒內(nèi)徑越大、活塞行程越長(zhǎng)，帶負(fù)載能力越好。同時(shí)活塞直徑變大、行程增加會(huì)使動(dòng)密封難度提高，所以需要根據(jù)實(shí)際需求做出取舍。經(jīng)過(guò)研究深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖配套設(shè)備的相關(guān)信息，筆者以帶負(fù)載能力40 kg進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)國(guó)標(biāo)Y形密封圈尺寸規(guī)格參數(shù)選取浮筒內(nèi)徑為0.32 m，活塞行程0.15 m，通過(guò)SolidWorks進(jìn)行建模仿真分析。考慮到深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的網(wǎng)箱深度一般在7 m～15 m，工作水深較為穩(wěn)定，在水下機(jī)器人領(lǐng)域?qū)儆跍\水作業(yè)。為保證水下工作穩(wěn)定性、提高浮筒結(jié)構(gòu)的耐壓能力，筆者以30 m作為設(shè)計(jì)最大水深，研究通過(guò)單向氣閥向浮筒內(nèi)預(yù)加一定的氣壓進(jìn)行壓力平衡，為使浮筒結(jié)構(gòu)水下工作時(shí)保持最佳狀態(tài)，預(yù)加壓力值應(yīng)滿足在預(yù)定水深工作時(shí)浮筒內(nèi)外壓力值基本相同。預(yù)加氣壓值可通過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試得出，亦可以通過(guò)理論計(jì)算得出,由公式：

P外=P氣+ρgh0

(2)

式中：P外為工作水深水壓，P氣為大氣壓強(qiáng)，g為重力加速度，h0為工作水深，計(jì)算出環(huán)境水壓的絕對(duì)值(本文所提到的氣壓值皆為絕對(duì)氣壓)，筆者以設(shè)計(jì)最大水深作為工作水深為例進(jìn)行計(jì)算。由理想氣體狀態(tài)方程：

pV=nRT

(3)

式中：p為浮筒內(nèi)部氣壓，V為浮筒內(nèi)空氣體積，T為熱力學(xué)溫度，n為氣體物質(zhì)的量，R為常數(shù)。n、T皆可視為常量，由此浮筒內(nèi)氣壓p的值取決于浮筒內(nèi)空氣體積V，即活塞壓縮空氣的行程變化量。浮筒內(nèi)空氣體積V可通過(guò)SolidWorks結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算或?qū)嶒?yàn)得出。筆者經(jīng)過(guò)仿真分析，活塞處于行程外極限時(shí)即浮筒內(nèi)空氣體積最大值，為76.8 L。由公式(3)，設(shè)定活塞處于行程外極限記為狀態(tài)1，可知該狀態(tài)對(duì)應(yīng)浮筒內(nèi)氣壓即為預(yù)充氣氣壓值；活塞行程位置為滿足帶負(fù)載40 kg的水下工作狀態(tài)設(shè)為狀態(tài)2，令此狀態(tài)對(duì)應(yīng)浮筒內(nèi)氣壓等于公式(2)算得的30 m水深工作水壓。結(jié)合公式(1)可計(jì)算出活塞行程變化量，得出狀態(tài)2浮筒內(nèi)部體積為64.8 L，聯(lián)立狀態(tài)方程1、2，可算出狀態(tài)1浮筒內(nèi)部氣壓為3.4×105Pa，這一數(shù)值可作為預(yù)加氣壓的參考值。

2.2浮筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 浮筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of internal structure of pontoon1.過(guò)濾裝置，2.活塞結(jié)構(gòu)，3.抗扭鋼管，4.絲桿，5.連接板，6.齒輪組，7.直角固定件，8.離合器，9.雙軸步進(jìn)電機(jī)，10機(jī)架，11.帶座軸承，12.導(dǎo)向桿，13.雙向推力球軸承裝置，14.連接桿.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.

如圖3浮筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖示，浮筒內(nèi)雙軸步進(jìn)電機(jī)兩端分別連接電控牙嵌式離合器，離合器連接傳動(dòng)軸通過(guò)圓柱齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)梯形絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)?；钊B接板上的絲桿螺母將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閮啥嘶钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)兩端的離合器控制電機(jī)軸與傳動(dòng)軸的接合，使兩端活塞可分別或同時(shí)動(dòng)作，從而改變水下機(jī)器人重心、浮心位置以及浮力大小。

沉浮及姿態(tài)控制主要工作原理如圖4、5所示：

圖4 沉浮、姿態(tài)控制傳動(dòng)鏈Fig. 4 Transmission chain for sink, floating and attitude control

圖5 潛浮、姿態(tài)控制原理示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the attitude control system

①若兩浮筒兩端活塞同時(shí)壓縮或擴(kuò)張同樣的體積，則可以設(shè)備保持重心、浮心位置不變，浮力大小改變，使水下機(jī)器人穩(wěn)定上浮或下潛。

②若一個(gè)浮筒兩端活塞壓縮體積，另一個(gè)浮筒擴(kuò)張同樣的體積，則可以保持重力、浮力大小不變，同時(shí)，浮心位置沿Y軸方向位移，產(chǎn)生無(wú)法平衡的力矩，使水下機(jī)器人橫搖。

③若兩浮筒一端活塞向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，另一端活塞向外運(yùn)動(dòng)，兩端的運(yùn)動(dòng)量保持一致，則重力、浮力大小不變，浮心位置沿X軸方向位移，使水下機(jī)器人縱傾。

2.3傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與受力分析

圖6 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.6 schematic diagram for transmission system

如圖6傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖所示，浮筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，雙軸步進(jìn)電機(jī)上電機(jī)軸端通過(guò)法蘭件與離合器連接，離合器與傳動(dòng)軸連接，傳動(dòng)軸通過(guò)與嵌在機(jī)架上的軸承配合進(jìn)行定位。傳動(dòng)軸上裝有小齒輪，絲桿上裝有大齒輪，兩齒輪嚙合將扭矩傳遞到絲桿上。絲桿一端通過(guò)絲桿螺母與活塞機(jī)構(gòu)連接，另一端通過(guò)雙向推力球軸承裝置固定，同時(shí)通過(guò)與嵌在機(jī)架上的軸承配合進(jìn)行定位。雙向推力球軸承裝置一端通過(guò)支撐柱固定到機(jī)架上，同時(shí)連接桿通過(guò)雙向推力球軸承裝置內(nèi)部并固定，將浮筒兩端雙向推力球軸承裝置進(jìn)行連接固定，從而抵消浮筒內(nèi)活塞裝置傳遞過(guò)來(lái)的拉力與壓力。這一設(shè)計(jì)大大減小機(jī)架所受拉力，簡(jiǎn)化機(jī)架的設(shè)計(jì)要求，可減輕機(jī)架重量。

3 重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

3.1活塞密封設(shè)計(jì)

圖7 活塞密封示意圖Fig.7 Schematic diagram of piston seals

據(jù)文獻(xiàn)介紹[13]，影響活塞密封效果的影響因素主要有：潤(rùn)滑狀態(tài)、接觸壓力與相對(duì)滑動(dòng)速度、表面粗糙度、密封間隙、配合副材料。如圖7活塞密封示意圖所示，活塞兩邊分別為海水、空氣，筆者選用聚四氟乙烯PTFE材料的雙Y形密封圈，利用組合密封方法進(jìn)行動(dòng)密封設(shè)計(jì)[14]。雙Y形密封圈具有穩(wěn)定性好、耐壓性較好、密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，適合直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封要求。聚四氟乙烯PTFE材料具有自潤(rùn)滑性好、耐高壓耐腐蝕、摩擦系數(shù)低的特點(diǎn)，適合干濕兩用的水下環(huán)境。如圖3浮筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，浮筒設(shè)計(jì)有過(guò)濾裝置，可以提高水體潔凈度，改善潤(rùn)滑條件。接觸壓力與相對(duì)滑動(dòng)速度對(duì)活塞密封性能的影響十分重要，接觸壓力過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致摩擦力過(guò)大產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，根據(jù)30m水深的設(shè)計(jì)要求，取附加壓力4×105Pa對(duì)Y型密封圈裙部表面結(jié)構(gòu)的模型實(shí)驗(yàn)與有限元模擬研究[15]，對(duì)活塞進(jìn)行靜力學(xué)有限元仿真實(shí)驗(yàn)。如圖8活塞-密封圈有限元分析圖所示，分析結(jié)果顯示雙Y型密封圈在壓力下變形量在可接受范圍內(nèi)，不影響往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這表明選用的雙Y型密封圈滿足水下工作要求。活塞整體應(yīng)力較小，應(yīng)力集中主要在連接桿開孔位置，符合預(yù)期。

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

3.2浮筒設(shè)計(jì)

浮筒內(nèi)包含有步進(jìn)電機(jī)、溫度與氣壓傳感器、離合器等不防水模塊，如果浮筒漏水或者嚴(yán)重變形將直接導(dǎo)致電路短路，因此筆者對(duì)浮筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和耐壓有限元仿真試驗(yàn)[15]。由于筆者采用了預(yù)加氣壓的壓力平衡措施，處于工作水深時(shí)浮筒內(nèi)外壓力差為零，為提供最優(yōu)的仿真結(jié)果，本文對(duì)浮筒工作時(shí)壓差最大的狀態(tài)進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)合上文公式(1)(2)(3)，可計(jì)算出活塞處于任意位置時(shí)浮筒內(nèi)氣壓值，經(jīng)過(guò)計(jì)算活塞處于浮筒內(nèi)限時(shí)，浮筒內(nèi)氣壓值最大為4.94×105Pa，使用這一數(shù)值進(jìn)行有限元仿真較為合適。結(jié)構(gòu)上，為減輕設(shè)備體積，浮筒采用3mm厚高強(qiáng)度鋁合金材料，針對(duì)活塞密封要求對(duì)浮筒內(nèi)活塞行程范圍進(jìn)行精加工、表面拋光處理?？紤]到水下環(huán)境的復(fù)雜性，浮筒設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少開孔，減少對(duì)浮筒強(qiáng)度的削弱。筆者在常規(guī)的四孔固定機(jī)架的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出圓弧狀一體式機(jī)架將浮筒固定孔減少到兩個(gè)，對(duì)浮筒四處開孔的孔位做了加厚處理。經(jīng)過(guò)有限元仿真靜態(tài)位移分析，結(jié)果顯示在加內(nèi)壓的情況下，設(shè)計(jì)的浮筒外殼整體變形量較小，變形主要集中位置有孔徑較大的出線孔、氣閥孔，固定孔孔位變形量較小，整體變形量均處于安全數(shù)值，這說(shuō)明一體式機(jī)架減少固定開孔對(duì)提高浮筒外殼整體強(qiáng)度、穩(wěn)定性有較好效果，該浮筒設(shè)計(jì)滿足工作要求。

4 討論

該水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用壓縮空氣變體積的設(shè)計(jì)方案，相比同類多自由度水下機(jī)器人，該設(shè)備在不使用螺旋槳的情況下以雙浮筒結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人沉浮、橫搖、縱傾三個(gè)自由度控制，具有水下工作穩(wěn)定性高、低能耗、帶負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。本文根據(jù)深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的實(shí)際工作需求，對(duì)設(shè)備工作原理進(jìn)行了可行性分析并給出了解決方案，對(duì)重要機(jī)械結(jié)構(gòu)和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了有限元仿真分析和計(jì)算分析，為下一步實(shí)物制作提供理論依據(jù)。

由于活塞結(jié)構(gòu)對(duì)浮筒變形量要求苛刻，該設(shè)備耐壓能力不強(qiáng)；同時(shí)，活塞結(jié)構(gòu)對(duì)零件的加工、裝配精度要求高，造成設(shè)備的制造、維護(hù)成本較高。因此，在實(shí)際研發(fā)中，還應(yīng)充分考慮機(jī)器人的工作深度與建造成本，從而推動(dòng)該水下機(jī)器人的應(yīng)用與推廣。

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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

廣東海洋大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(CXXL2017020) ;廣東海洋大學(xué)創(chuàng)新強(qiáng)校工程省專項(xiàng)資金支持建設(shè)項(xiàng)目(Q14209);廣東省工程技術(shù)研究中心)—廣東省海洋裝備及制造工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目;廣東省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2014A020208118)

劉子浪(1994-)，廣東人，本科，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。E-mail：982838075@qq.com

楊 芳(1984-)，女，山東人，碩士，講師，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。E-mail：625843197@qq.com

S 951.3

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