观察级水下机器人设计原理之：外形设计
Sealien：
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海洋覆盖了地球表面的71%，是气候发展的主要因素之一，承载着世界贸易，调节着地球温度，同时为地球上大部分生命提供栖息地，并提供人类可以利用的能源。尽管如此重要，但全球仍有95%的海洋未被探明，部分原因是缺乏可行的勘探技术。在过去的半个世纪中，随着军事、石油和天然气领域的研究深入，ROV技术出现在人们的视野，近年来，商业公司已经将该技术的成本降低了许多，并竞相开发价格较易接受的小型观测级水下机器人。这些观测级ROV通过脐带缆连接到水面操作中心，可以适应危险复杂的水下工况，24小时反馈视频和其他数据信号，让水下工作变得更加安全高效。
深海智人推出观察级ROV设计原理入门，了解了原理，也就接近具备自制一台小型ROV的能力，本文简要介绍观察级ROV的外观设计。
Oceaneering 观测级ROV
© Oceaneering
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稳性设计
观测级水下机器人外形多种多样，最常见的设计是开架式，这种外观多用于中大型ROV。还有其他形状，特别是一些微小型ROV，根据水动力特性采用了流线型。大多数中型遥控型机器人采用开架式框架设计，有助于提高水下机器人的稳定性，这与重心和浮心的间距有关，也称之为稳心高。物体的重心是所有重量的集中点，浮心与阿基米德原理有关，是所有浮力的集中点。如果物体排开的水能够保持形状，则该排开水的重心等于物体的浮心；重心和浮心的位置和大小与物体的形状、重量和体积有关。
通常情况下，浮心应位于重心上方，否则，物体将在水中旋转尝试自行校正姿态。当ROV受到流速变化或推力变化影响时，它会沿X轴倾斜，由重力矩和浮力矩产生的扶正力矩会将机器人恢复到垂直状态。
ROV的稳性和扶正力矩示意
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但是近年来，一些公司倾向于开发重心和浮心位于同一点的ROV，代表了观测级ROV的行业新趋势。这种设计没有自然扶正力，意味着它的稳性比较差，但操作性又好，可以实现360°的自由旋转和各种操作模式。因此，ROV的稳性设计取决于这台机器的作业工况需求。车辆的形状则取决于其浮力、框架、功能和有效载荷。
浮力模块
为了让ROV漂浮在水中，使用了由密度低于水的材料制成的浮力块，此外，浮力材料还必须能够承受深海作业时的水压。
硬质聚氨酯泡沫是一种低成本材料，广泛用于操作水深较浅的ROV，即一般的观察级ROV。硬质聚氨酯泡沫是为了区分聚异氰脲酸酯，前者是PUR，后者是PIR，这是两种完全不同的聚合物。
对于那些操作水深特别浅的ROV，PUR是首选，因为它价格便宜且易于加工，根据特瑞堡的参数，他们的最大额定水深不超过250msw（一般较普通的PUR最多只能耐几十米水深），表面有聚氨酯弹性体保护层。PUR主要用于水下管道、浮筒、海缆、软管的浮力块，但准确来说，深水浮力块并不都是PUR，PUR只代表硬质聚氨酯泡沫材料。
聚氨酯泡沫塑料 PUR是多羟基醇与异氰酸酯反应产生，而聚异氰脲酸酯泡沫塑料PIR则是异氰酸酯自身的三聚反应产生异氰酸酯环，所以从分子结构上来看聚异氰脲酸酯泡沫塑料PIR更加稳定，具有优良耐热性、耐寒性及阻燃性。所以和聚氨酯硬质泡沫塑料PUR相比具有一些优势。
用于浅水ROV的另一种类型的聚合物浮材是聚氯乙烯（PVC）泡沫。世界上最大的ROV制造商Oceaneering在其部分ROV上使用了一种PVC泡沫。泡沫通常表面有较高强度的保护层，可以提升泡沫本身的刚度和强度，同时减少吸水，增加浮力。该材料的加工特性比较好，但是必须控制好受热变形。PVC泡沫的最大深度等级是700msw。
共聚物泡沫刚性、交错的密实泡孔结构，可以抵御600米的水压。但是，需要考虑的是材料的密度和水深等级的关系，在较低的密度下，该材料更适宜短期应用，如果长时间在静水压力下放置，则该材料会变形，体积减少从而最终影响浮力。浮力的降低与共聚物在压力和低温下的收缩有关，为了最大程度的减少这种蠕变，设计时必须降低共聚物泡沫的设计水深。比如，如果共聚物泡沫的设计寿命是25年的话，则可能设计水深需要折减一半左右。也可以在表面涂些聚氨酯弹性体涂料，能够提供额外的保护。那有些人还设计了一种可以通过齿轮调整浮力块位置的ROV，用以操控ROV的俯仰。
深水机器人，采用更先进的浮力模块。空心微珠泡沫是一种复合材料，是通过将大量空心玻璃微珠混入环氧树脂中制成的。由于使用了不同材料，有时候就简单的用“复合材料”来描述。这些浮材是使用专用的磨具和机器支撑的，因为定制化的造价十分高昂，一般都用在大型多功能ROV上。
这种材料具有较低的密度，无需改变成分，便可以承受超高水压，通常深水和超深水中会用到玻璃微珠泡沫。1964年，这种材料达到了抵抗1800米水压的能力，而BTMI公司最新研制的浮材竟然达到了吃惊的10000米水深等级。此外，绝大多数空心微珠泡沫的额定水深是6000米，这个深度已经覆盖了海洋面积的95%。
然而最近的一项研究发现，长时间浸泡后，复合泡沫中的玻璃微珠可能会降解，强度降低约30%。当水进入玻璃微珠和环氧树脂的界面时，会发生脱碱作用，使水进入玻璃微珠，因此，长期应用时，最好选择无碱玻璃微珠。
那上面提到了空心玻璃微珠复合材料表面需要涂聚氨酯弹性体增加刚度和强度，同时降低吸水率；但是近年来人们发现聚脲涂层的效果要比聚氨酯固化膜要好，实际上喷涂的聚脲是一种混合体。两者有哪些相同点，又有哪些不同点呢？
一、相同点
1.聚氨酯固化成膜后和聚脲固化成膜后，分子链中所含的化学键种类是相同的或相似的。
2.无论是聚氨酯还是聚脲，必须先制成含端基为异氰酸酯的预聚体或半预聚体或齐聚物。也有人将聚脲称为一种特殊的聚氨酯或高力学性能的聚氨酯。
二、不同点
1.尽管聚氨酯和聚脲固化成膜后，所含化学键的种类相同或相似，但聚氨酯橡胶膜中对其物理性能起关键作用的官能团为氨酯键，而聚脲固化后对其性能起关键作用的官能团为脲键。在聚氨酯和聚脲中都会有氨酯键和脲键，但由于在聚氨酯固化后的橡胶膜中，氨酯键数量大大超过脲键，其性能主要由氨酯键所决定;而聚脲地坪固化后的橡胶膜中脲键的数量超过氨酯键数量，其性能主要由脲键所决定。
2.脲键强度大大超过氨酯键强度，并且脲键很稳定。
3.对于市场上常见的喷涂聚氨酯(脲)或称杂合聚脲(hybride)，在双组分中除采用氨基聚醚以及端氨基扩链剂外，还有羟基类物质(如聚醚、聚酯等)以及催化剂。杂合聚脲中氨类物质的量在交联固化剂中应在20%～80%，如果低于20%则称为聚氨酯。
4.单组分聚氨酯固化过程中，1个水分子消耗2个NCO，产生1个脲键，分子结构中氨酯键的数量仍大大超过脲键数量，其力学性能远低于单、双组分聚脲(包括杂合聚脲)。即使加入潜伏性固化剂，其氨酯键仍然大于脲键数量。常见的潜伏性固化剂为羟基和氨基同时封端化合物，解封后，与NCO(异氰酸酯)反应形成氨酯键和脲键。潜伏性固化剂只不过抑制CO2气泡的数量，抑制肉眼可见泡孔的产生。相当部分的NCO还是靠水分子反应形成脲键，只不过所产生CO2的速度和数量大大减少，不形成气孔。交联点有脲键，也有氨酯键。（来源：华珀聚脲）
表层喷涂聚脲的深水浮力材料
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另外一种浮力材料是陶瓷球，它具有极高的抗压强度，材料重量约为不锈钢的一半。将氧化铝混合物倒入球型模具中，然后经历干燥和烧制制成球体，在这一过程需要保证球体壁厚均匀，避免有任何薄弱点。伍兹霍尔海洋研究所2006年开发了一款海洋勘探航行器Nereus，可能有些智友了解过，这款机器人2007年成功潜水到 Challenger Deep。它使用了1472个直径91mm的空心球，产生了417公斤的浮力。这些球体是由Deepsea Power&Light 公司研制的。
伍兹霍尔海洋研究所的Nereus，AUV-ROV混合型水下机器人
©worldpress.com
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上面提到的所有技术都是采用固体浮材，ROV和水下航行器还有一个选项那就是有效压载，比如说，一些水下履带式机器人，他们本身就需要一定的水中重力下沉到海底，然后回收时抛掉压载即可。采用压载可以为ROV节省动力，并提高整机有效载荷。目前很多水下机器人都采用浮力块加压载块结合的方式。
由于通常检查级ROV的最大深度也就300米内，由于价格便宜，PUR等材料也不失为好的选择。对于较深的应用，可以采用PIR，PVC泡沫或共聚物材料，但是如果水下机器人需要长期浸没水下，则低密度共聚物泡沫可能会变形。
ROV框架
ROV的框架用于安装、保护各类水下设备，大多数制造商采用开架式结构来提高整机稳定性，这样的结构也便于添加辅助设备，同时水流也能畅通无阻地穿过机体。一些ROV制造商还将框架和电子仓融合在一起，甚至一体化的结构，推进系统、耐压壳、浮块、框架之间没有明显的区分，这种结构如果外形设计的好还好说，设计不好的话容易引起湍流，增加阻力，稳定性也会比较差，适用于那些小型的观察级ROV。
机架使用何种材料类型是设计工程师的一个重要考虑点，改材料必须能够承受恶劣条件，同时还必须提供足够的结构强度刚度，以便支撑ROV的携带设备。6系铝合金或不锈钢一般用于大型或超大型ROV，小ROV用这两种材料的较少见，但也不是没有，通过合理的结构设计，重量还是能够找到一个和强度的平衡点。
金属由于长期接触海水后，由于腐蚀作用重量会增加，这里主要考虑重量增加对浮力平衡的影响，同时金属结构太薄的话很容易腐蚀分解，因此，聚合物已经越来越多的成为小型ROV框架材料的主流选择。ROV制造商普遍使用丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），高密度聚乙烯（HDPE）和聚丙烯（PP），曾经有人研究过聚丙烯在ROV上的使用，结果还行。主流的观测级ROV制造商一直在使用聚合物材料框架。
碳纤维增强塑料（CFRP）是一个技术进步，它比常规的聚合物刚度、强度、材料阻尼都要好。最近，这种材料已经在有些项目中得到利用，未来几年，CFRP在水下机器人行业中的使用将有望增长。
由于大多数观察级ROV都是便携式的，因此他们在空气中的重量通常不会大于70公斤，改重量可以使用聚合物结构支撑，重量轻，在海水中不易分解，成本低廉，因此，聚合物材料在水下机器人行业的使用会越来越普遍。
水动力
对于大型工作级ROV，在外型设计方面几乎不用太考虑流体力学，因为他们强调的是在执行重型作业时的稳定性，而非快速性。而小型ROV的应用场景更加多样，因此设计中需要考虑水动力。
中型的观察级ROV通常是BOX型，就像文章开头Oceaneering的那台观察级ROV，顶部带有浮力块，而推进器和设备则悬挂在机架下放，这种布局提供了良好的稳定性，将重心和浮心可以处在同一垂直线上，但是又保留着间距。此外，在声学成像测量中，稳定性很重要，因此，这种形状的ROV俯仰和侧倾幅度较小，测量结果比较容易处理。也有BOX型观测级ROV设计成浮心和重心重合的情况，这样可以对任意方向的干扰做出快速反应，但要依赖主动控制系统维持机体稳定，系缆力，浪涌和流力都需要控制系统自动补偿，水下机器人和无人机的设计是比较想通的。
通常来说，很多微小型ROV仅仅被用作一台“水下摄像机”，它们对稳定性的要求要比声学设备低一些，当然，专业摄影得另当别论。这种ROV的外形设计可以采用更多新颖的形状，甚至博眼球的形状，在机体内部可以采用万向节和偏心机构控制姿态。
在最近一些年，仿生机器人的研究也有些进展，使用这种外形的水下机器人观察海洋生物，不会另其受到惊吓，某些鱼的推进效率高达90%，而传统螺旋桨的效率也就50%，实际中最高也不超过70%-80%。大多数仿生鱼机器人都可以在特定的游泳模式下模仿某种鱼的巡游或机动。为了更高级的运动控制，机器人应该能够在多种游泳模式下自由切换，因为真鱼可以根据水流和运动需求随机调整鳍和尾巴实现无数种最优组合。鱼类的机体侧方有测线，什么是测线呢？
侧线是鱼类的一种特殊的感觉器官，从鱼体的外面可以看到。这就是在鱼体两侧的由许多小孔排列而成的线条。这些小孔称侧线管孔，小孔分布在一些鳞片上，小孔下面互相连通，形成长管，叫做侧线管。管中充满黏液，外界水流的刺激经过鳞片上的侧线管孔传达到侧线管中的感觉细胞，可以产生兴奋，兴奋经神经传递给脑，就能产生水流感觉。鱼类通过测线可以感知水压大小、水流方向、水流速度、水中物体的位置和其他各种变化。
侧线系统是鱼的神经系统，生长在体侧的鳞片上，称为侧线鳞，两侧各有一条。侧线器官位於鳞上成小孔状，小孔里面含有神经末梢，把外界信息通过与其相连的感觉器官传至脑神经，。侧线系统通常与鱼体同长，有时经鳃盖延至鱼鼻部，和外界接触可作为探测感应之用，能感受到震动波及水流速度。所以许多鱼可以在黑暗的水域中自由游动，甚或眼睛机能已退化至看不见的鱼，都得以用侧线系统探测水中的障碍物。
胸鳍和腹鳍的主要作用是保持鱼体平衡，配合鱼体转向，调整鱼体升降。但胸鳍比腹鳍用途更广，可以像船桨一样，一下一下地划动，使鱼体徐徐前进。
AquaJellies仿生水母
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受这个仿生原理启发，在仿生鱼机器人的侧面，就可以安装MEMS应变传感器，模仿鱼类的测线，然后将传感信号输出成鱼游泳所需的动作。此外，还有仿海龟运动的用于沉船调查的机器人，美国海军2016年还批准了刀鱼机器人研究，用于水下扫雷。Sepios 是一种仿乌贼水下机器人，使用四个鳍来驱动，使用鳍驱动有个好处，就是机器人可以在海草植被中穿梭，不用担心螺旋桨被缠住。
如果水流太大，可以尝试爬行或步行机器人，在英国纽卡斯尔大学海洋科学与技术学院，他们开发了一种多足机器人，可以在潮汐流中进行管道检查。
美国定制品牌Steel Bone的机械螃蟹（图文无关）
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在ROV的设计中通常会用到流体力学软件，利用CFD对基于灰箱的参数预测模型进行有效性分析，从而更好地控制ROV。
商业产品更加专注于ROV的功能和应用，不久的将来，ROV的设计会更加注重流体动力分析。随着海洋可再生能源行业的增长，观测级ROV将有望在更为极端的环境中运行，这意味着除了其他设计标准以外，ROV的阻力也必须降低。但对于仿生机器人，仍需要进行大量的研究才能使其具备商业价值，到目前为止，它们的功能还太单薄，生物进化几亿年的机体岂是人类十几年就能模仿透的。
下期，我们将关注于观测级ROV的动力系统。
注：
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