Sealien：

随着深水活动占比的迅速提高，操作、运维成本不可避免地会向深水区集中，比如故障期间，由于平台的距离较远，备品备件的运输时间增加，同时深水区天气状况更加复杂，这些都造成了依赖现有的能力，无法让运营成本大幅度的降低。因此，在走向深海的同时，如何依赖技术革新降低运维成本成为了作业者们需要直接面对的现实问题。           

恶劣的天气是影响ROV作业的主要限制因素，一般ROV系统的设计为在4-5级海况下可以正常作业，6级海况下可安全回收，对领航员来说，在飞溅区15米水深内，是最危险的范围。这是行业公认的作业准则，特别是海上风电领域，水深都比较浅，风浪流状况复杂。故而在实际作业过程中，鲜有在5级海况下进行ROV布放下水的情况，施工方往往更多选择在海况较好的时机下开展ROV作业。

如果可以省去或改变现有的ROV标准的布放回收系统，设计一套全新概念的系统。比如在天气条件较为理想的窗口下将机库和相关的工具放置在海底，遇上恶劣天气时，水下机器人ROV可以在海底驻留更长的时间，如此则可以大大增加合适的作业窗口期，省去大量时间、人力物力和资金成本。 

常驻型机器人系统，我们在接下来的文章中称为R-ROV，即Resident ROV，由长期驻留海底的水下机库和机器人组成相对独立的系统，可通过不同类型的脐带缆连接，以传输电力和信号，也可利用水下无线通信，让机器人以遥控或自主的模式游历于各个水下机库和作业场地之间，完成指定的作业任务。

相比起传统的工作级ROV，常驻型ROV在技术实现上的选择更多样化，但同时也存在很多不同于以往的技术风险和重点。接下来几篇我们将以水下常驻型机器人为主题，探讨其总体技术以及一些在开发过程中需要考虑的关键点，欢迎参与讨论。

萨博公司Sabretooth为一款混合型常驻海底机器人 ©Saab

工作级ROV回顾

工作级ROV我们之前介绍过很多篇，在开启常驻型ROV的技术讨论前，有必要将工作级ROV的一些典型特点再次强调和回顾一下，有助于我们对ROV向R-ROV过渡的时候能够产生合理的比较，加深对工作级机器人技术重点的理解。

ROV是远程操作机器人的统称，常指水下机器人，可以在恶劣环境下工作，比起潜水员有大得多的下潜深度和水下工作时长。领航员通常在钻井平台或作业母船上控制ROV，利用操纵杆和各类传感器、摄像头控制ROV在水下的航行与作业。在良好的天气条件下，合理安排足够的人力资源，ROV可以进行一天24小时不间断的工作。

使用ROV可以显著降低潜水人员作业的风险，将水下的实时视频流传输到操控室，指导领航员处理操作水下机器人进行大型设备的辅助安装。更重要的一点还在于，水下机器人将人类在水下探索和施工作业的深度，拓展到了几千米甚至上万米的海底。

图 一套完整的ROV系统示意 来源：Oceaneering

一套完整的ROV系统。包括甲板控制舱，A形架、绞车以及液压动力单元组成的布放回收系统，通过脐带缆与水下中继器TMS和ROV相连接，脐带缆除承载动力电源和信号的传输，还有提吊水下机器人的功能。 

简单而言，整个ROV系统可分为两大类，一为上层的水面设备，一为下层的水下系统。

上层水面设备由控制室和LARS（收放系统）组成；水下系统则包括，水下中继器TMS（脐带缆管理器）和ROV。ROV根据其功能和用途有多种变型，归纳起来主要有两种类型，即：“工作级水下机器人”和“观察级水下机器人”。 

工作级水下机器人 WROV Work-Class ROV

图 世界上最先进的工作级ROV 来源：TechnipFMC

工作级ROV自重横跨1吨至5吨，可进行重载作业，典型的作业任务一般包括：移动水下物体、操作工具、协助水下起吊设备和操作各类阀门。为了完成这些任务，工作级ROV几乎都会配置用于操作工具的液压机械手，近年来也涌现出可以满足轻载作业能力的全电驱水下机械手，并已在商业的作业级ROV上有了应用（在后文会有介绍）。 

工作级ROV考虑到搭载能力和维护便利性，通常设计为开架式结构（具有非常显著的辨识度），顶部为浮力材料，采用高强防腐铝合金或其他金属作为主体框架，依据各部件的重量、体积以及功能进行布局设计，在框架内部会预留空间以搭载水下作业所需的各类工具，还可以在框架下方挂载更多的作业工具包。具体的承载和工具挂载能力都来源于最初的客户需求，设计工程师的整个设计之初会将这些需要转化为设计规格书，该设计规格书将贯穿整个设计阶段，为设计的指南。 

观察级机器人 OROV

图 观察级水下机器人OROV 来源：Seaeye

观察级ROV的典型任务是利用其搭载的各类仪器设备（如视觉的、激光成像的、声学的、电磁学的等）执行海底结构物、管线以及地形水文等的检测。观察级ROV的设计体积通常较小，自重在一吨以下，以便具有更高的航行速度和在限制区域的通过性。同时，OROV的大小也与它所携带的设备数量有关。OROV原则上可以携带任何仪器，简单的只需配一个摄像机，复杂的重量接近一吨的观察级ROV，可以武装到与一台工作级ROV差不多的配置，加装机械手后甚至可以称之为轻型作业级机器人。OROV的标准尺寸有个业内通用的规格，约为长1000mm，宽约700mm，大体上是这样一个尺寸。 

脐带缆管理系统-TMS

图 顶置式脐带缆管理系统

脐带缆管理器（TMS）是水下机器人（ROV）系统的重要组成部分，是用于储存和收放中性缆的装置。为了保持 ROV 本体在水下具有良好的动作灵活性、运动平稳性和可操作控制性，消除或减小脐带缆扰动对 ROV 的影响，并增大 ROV 的作业半径，在 ROV 与甲板吊放系统之间设置脐带缆管理器（TMS）。 

脐带缆管理器（TMS）主要由中性缆排缆绞车、导缆通道、对接联锁机构、液压动力单元（目前已有公司开发出全电驱的TMS）、信息传输单元、控制单元、传感器单元以及主体框架结构等组成。

配置TMS后能够实现迅速、准确地将ROV 送到预定工作水深和较快地回收到水面，同时可减弱母船摇晃及脐缆所受海流阻力给 ROV 运动和作业带来的附加阻力和干扰，能够降低ROV的推进功率需求，提高运动灵活性。然而，上述这些配置只是一个标准，或者说是比较好的配置，在实际应用中，我们可以看到即使是几吨重的工作级ROV有时也是由折臂吊机或A框进行直接布放，而不配置TMS，而更小的OCROV却配备有TMS。  

当 ROV 开始下潜准备作业时，TMS可作为下潜的压载与 ROV 一起由铠装缆吊放至作业深度。由于借助TMS的重量下潜，不需要 ROV推进器工作，既节省了能源，也提高了下潜速度。 

作为ROV的主要拍档，TMS的作业环境同样覆盖浅海到深海，要求不仅能够适应高压、低温、腐蚀的特殊环境，而且也要求能抵制住水下不同程度的波浪和暗流的冲击。

图 ROV与TMS的回收示意

脐带缆 

绝大部分水下机器人都是通过铠装脐带缆（又分为金属和非金属铠装），从安装在船只或平台上的发电机提供动力。值得一提的是，这里的脐带缆区别于油气行业的软管脐带缆，后者主要指的是除了电力和通信信号外，还能够传输液压油液的电力电缆。 

图 ROV钢丝铠装脐带缆、内部集成了电缆和光纤

以下为凯夫拉脐带缆的主要特点：

• 线缆中直径最大的为连接主电机的动力线缆

• 采用金属套管保护光纤

• 设置接地保护

• 采用铜线屏蔽

• 内护罩是为防止海水侵蚀

• 凯夫拉网套提供抗拉强度和抗扭

• 塑料填料增加了凯夫拉网套和外护套（Sheath ）之间的附着力

• 外护套为一层厚厚的热塑性弹性体，可以起到机械保护的作用，同时也增加了破断力，保护了凯夫拉网套。

TMS和ROV连接的脐带缆，因需要最大限度降低对ROV航行机动性的影响，通常为凯夫拉零浮力缆，也有用非零浮力的，但是他们的浮力一般都比较大，脐带缆的长度决定了ROV的最大工作半径，同时缆绳的长度也会影响水下机器人的推进力，因为当缆绳完全伸展时，ROV必须能够抵抗缆绳的阻力。（我们在后续的文章会专门进行分析）

表 脐带缆长度与水下机器人推力的比较，数据来源于(Subsea 7，Oceaneering, IKM Subsea)

布放与回收系统-绞车

ROV绞车可采用电动或液压驱动，当ROV连接到TMS时，利用绞车驱动，下放和提升整个水下系统，吊放的缆绳因需要承载ROV和TMS的重量通常为强度较高的钢丝铠装缆。也有直接用凯夫拉缆的，但需要额外的钢丝绳来承担水下机器人的重量。MacArtney公司是全电动绞车的专业公司，用于布放回收WROV系统，其主要产品的外形尺寸约为，5000mm长x3000mm宽x3000mm高。

图 MacArtney全电驱收放系统

布放与回收系统-A形架

A形架与绞车配套，组成一套完整的布放回收系统，一般部署在船的外侧位置。A形架在钻井平台上不常用，在钻井平台上应用更为广泛的为月池布放系统。

图 带波浪补偿功能的超大型A型架，用于布放回收几十吨甚至上百吨重的水下机器人

AUV

图 康世伯的Hugin AUV

康世伯海事公司为全球AUV的主要开发商之一。其主要代号为Hugin。此类AUV的既适合民用领域，也适合军用领域。作为民用，主要工作任务是进行海底测量和测绘。 

该AUV通常配置有一个主推进器，使用一个方向舵进行航向调整，结合低水阻，与传统的框架式工作级ROV对比，它的航行效率非常高。 

AUV可以预先编程，独立于主船或控制站，领航员可随时读取监测记录的数据，AUV还可以在监督模式下工作，从领航员那里获取更新的位置，在执行任务期间可以进行自主导航和路径规划。 

Hugin可以选用两种类型的电池来提供动力：一种是铝氧半燃料电池，此类电池通过铝和氧产生电力来携带大量的能量。这种类型的电池不能充电，必须用新的电池替换。然而，它可以方便的回收和再利用。 另一种使用的电池是一种更常见的商业电池——锂聚合物电池。具有良好的能量密度和充电能力。故而常用于汽车和手机等消费品。

萨博 sabretooth

图 sabretooth常驻型水下机器人

Sabretooth为萨博公司设计的一款复合型水下机器人，具有AUV的快速航行能力，也可以连接脐带缆作为ROV使用。

与AUV相比，Sabretooth设计有多个推进器，可以像ROV一样可在所有的6个自由度上操作，使其在不同的工作任务中更加灵活。由于与传统AUV相比，sabretooth可以携带机械手要进行一些轻载的施工作业，因此它的功耗会更高，在进行长时间的勘测时效率不如AUV。（深海智人视频号中有该机器人搭载机械手的相关视频，感兴趣的朋友可以移步视频号）

该产品的电池容量为20kWh，运行时间为10-20小时。至于进行施工工具的操作，将取决于所操作工具的功耗。

Subsea 7的自主检测水下机器人

图 Subsea7自主检测车AIV 

AIV是Subsea7开发的一种全面检查/调查的水下自主机器人。该的AIV具有图像识别、自动定位和车库对接等领先技术。 

Liberty常驻型工作级水下机器人

图 Liberty常驻型工作级水下机器人

Liberty是Oceaneering的一款工作级ROV，采用电驱+液压双动力系统，比传统的全液动机器人有更高的功率密度，为了实现常驻功能，对很多位置进行了升级改装。 

IKM Merin电驱水下机器人

IKM很早就利用并开发了全电驱的ROV。电驱ROV的优点不仅仅是环保，当大多数液压驱动的水下机器人仅依靠单一系统作为驱动源时，如果系统发生泄漏或油液污染造成ROV无法继续航行和作业，此时能够做的只有两种选择，要么用其他ROV进行救援，或者让其上浮至水面，因为无法再对ROV进行控制，在上浮过程中，受洋流的影响，其漂浮的轨迹无法跟踪，发生损坏或者丢失的风险非常大。故而目前也有水下机器人公司开发了双冗余系统，从而提升稳定性和可靠性。

图 Merlin常驻型工作级ROV 来源：IKM

机械手

机械手是作业型水下机器人最重要的作业工具，它不仅可以直接进行水下作业，还可操纵其它水下作业工具，从而协助完成水下样品采集、化学物理探测、水下打捞和装卸、水下电缆和管道铺设、军事布雷等多种民用和军用任务。水下机械手的性能直接影响了整个水下作业系统的实际工作性能。

机械手按驱动方式可分为电机驱动和液压驱动，目前大部分的作业级水下机器人均采用液压驱动的方式，而电机驱动的机械手近年来也在快速发展，目前在浅水和轻载的场合已得到越来越多的应用。但对于深水和重载作业场合，液压驱动的机械手相对电机驱动具有较强的竞争力，短时间内仍无法被替代。

作业级水下机器人一般携带两个机械手，常见的配置是一个锚定机械手和一个高性能灵巧机械手。锚定机械手出力较大，用来夹持在水下基础上来固定和稳定机器人的位置姿态，一般采用开关控制方式，对精度没有严格要求，结构和控制简单；高性能灵巧机械手通常有六个运动自由度，外加一个作业工具或夹持器，业界称为七功能机械手，常采用电液伺服控制方式，对其稳态、动态控制性能要求较高。

图 左边是先令机器人公司的 Titan 4液压驱动七功能机械手，右边是ECA集团的ARM 7E电驱机械手

表 液压机械手与电动机械手的比较

同时ECA集团也开发有搭载于观测型ROV上的小型电驱机械手

图 ECA集团Mini五功能机械手

表 ECA5功能Mini电动机械手规格参数

本篇主要针对一些大型水下机器人的技术特点做了简单的回顾，由于篇幅关系，还有部分内容留到了下一篇。在回顾完这些典型特点以后，我们将有针对性地从传统工作级ROV出发，以边介绍边对比的方式，步步深入常驻型工作级ROV的总体技术要点，篇篇相扣，后续内容敬请期待！