缆控式水下机器人(ROV)普遍应用于海洋环境探测、海底资源开发、水下救援与打捞等方面,是21世纪海洋高新技术的重要的研究方向。随着近海水产养殖业规模的日益扩大,其对高效率的水下机器人捕捞技术需求也不断增长。本论文源自于国家自然科学基金重点项目,文章将结合国内外作业型ROV设计的成功经验以及海底生物抓取作业的应用实际,通过对ROV系统各关键要素的深入分析和研究,设计一款具有优秀的航行及作业性能的海底生物捕捞ROV系统,并对ROV的航行性能以及机械手的抓取性能进行仿真或实验分析。首先,在深入分析了本项目的任务设计书的各项性能指标后,按照系统设计法,给出了ROV系统的总布置方案。确定了海底生物捕捞ROV主要由载体框架、水密耐压舱、推进系统、环境及位姿感知系统、抓取机械手系统等模块组成。对载体框架、水密耐压舱的布置方案进行了优化设计,同时利用有限元分析软件对上述重要模块进行了强度校核,证明了选择的材料及结构尺寸满足总体强度要求。详细介绍了推进系统、环境及位姿感知系统的工作原理、各元器件的选型及装配方案,以保证ROV在水下能够有良好的操纵性能以及环境感知能力。然后,在已经建立的ROV虚拟样机的基础上,计算ROV的总体重量。利用Creo质量属性模块计算出机械手不同姿态下ROV整体的重心和浮心位置坐标,调整ROV总布置方案,确保ROV在不同的作业姿态下其横倾、纵倾角在设计规划的要求范围之内,并且有合适的初稳心高。建立了ROV系统坐标系及其相互转换关系,同时参考国内外相关文献,推导出ROV在水下航行的运动学模型。利用Star-CCM+流体计算仿真软件计算和分析ROV在机械手不同姿态下各方向的航行阻力,并依据阻力计算结果对推进系统布置方案进行优化设计,确保ROV在水下航行的快速性和灵活性。接着,对海底生物捕捞机械手系统设计方案进行了详细的阐述,重点介绍了第二代机械手的关节内部结构,动密封设计以及关节电机型号选择的计算过程。同时参考国内外文献,利用D-H参数法建立了两代机械手运动学模型,计算得到两代机械手的运动空间。同时利用Pro/E软件的机构运动仿真模块对海底生物捕捞机械手的抓取、投放目标生物的运动过程进行仿真分析,得到了机械手末端测量点的位置时间曲线以及速度变化曲线,为机械手的运动规划提供依据。最后,重点阐述了抓取手爪的设计方案及其相关的传动理论。介绍了抓取力测量实验的基本原理,利用抓取力测量实验对两代手爪的抓取力进行测量及数据整理,从多角度分析了两代手爪的抓取性能的优缺点,并确定了抓取手爪的最优设计方案。本课题研究也可为同类设计研究参考。