知力君带你去看那些,遨游水下的不同类型机器人

发布网友发布时间：2022-04-25 00:00

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热心网友时间：2023-10-16 03:32

水中机器人，又称海洋机器人或者无人潜水器，是一种可在水下移动、具有感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的机电一体化智能装置。水中机器人是人类认识海洋、开发海洋不可缺少的工具之一,亦是建设海洋强国、捍卫*和实现可持续发展所必需的一种高技术手段。

水中机器人在机器人学领域属于服务机器人类，它包括有缆遥控水中机器人(remotelyoperatedvehicles,ROV)和自主水中机器人(autonomousunderwatervehicles,AUV)2大类。此外由于载人潜水器在技术和功能上与水中机器人有共性,我们将其纳入水中机器人类。其实这3类机器人的主要差异在于操作模式，操作者在机器人体内称为载人潜水器，位于体外(如母船上)通过电缆进行操作称为遥控水中机器人，用体内计算机代替操作者则称为自主水中机器人。

ARV是一种集自治水中机器人(AUV)和遥控水中机器人(ROV)技术特点于一身的新概念水中机器人。它具有开放式、模块化、可重构的体系结构和多种控制方式(自主/半自主/遥控)，自带能源并携带光纤微缆，既可以作为AUV使用，进行大范围的水下调查，也可以作为ROV使用，进行小范围精确调查和作业。与传统的AUV相比，ARV可以携带机械手，增加了作业能力，而与传统的ROV相比，ARV将作业范围从几百米扩展到几公里。因此，这种新概念水中机器人可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行海洋科学研究和深海资源调查，具有更广泛的应用前景。

水下滑翔机目前是国际上的研究热点，它是一种无外挂推进器的新型水中机器人。它借助改变自身浮力和重心在水下做滑翔运动，具有航行阻力小、能源利用率高、航行距离大、噪声低、成本低、回收方便等优点，可在海洋监测与探测领域发挥重要作用，具有广阔的应用前景。

1. 遥控式水中机器人（ROV）

ROV的能源和控制指令都由水面控制台提供，通过脐带缆传递给ROV。ROV的有点在于动力充足可以支撑复杂或大型的探测设备，信息采集和数据传送工作快捷方便，数据采集量大，由于其操作控制和信号处理等工作全部由水面的计算机和工作站来完成，人机交互水平高于AUV，所以ROV的总体决策能力要高于AUV。ROV的致命缺陷就是自身的生命线脐带缆，在短程操作中问题不大，但是在长距离水下作业中，脐带缆很容易与水下其他结构发生缠绕，当距离较长时，对ROV的动力也是一个很大的挑战。

轻作业型遥控潜水器

典型的产品主要有美国的“CURV”、日本的KAIKO“海沟”号、法国的PAP104、意大利的PLUTO-plus德国的企鹅-B3、瑞典的海鹰、加拿大的开路先锋等。其中日本的KAIKO可以到达海洋的最深点——10911.4m的马里亚纳海沟。沈阳自动化所的自走式电缆埋设机器人“CISTAR”、上海交通大学研发的下潜深度最大功能最强的取样机器人“海龙号”等。

2. 自主水中机器人（AUV）

AUV涉及流体力学、水声学、光学、通信、导航、自动控制、计算机科学、传感器技术、仿生学等众多领域的高新技术，成为当代科技最新成果的结晶。AUV在水下通过各类传感器测量信号，经过机载CPU进行处理决策，独立完成各种操作，例如进行水下机动航行，动力定位，信息采集，水下探测等。通常这种机器人依靠水声通讯技术与岸基和船基进行联络，或者浮出水面，撑起无线电天线，与陆基和卫星进行通讯。AUV的能源完全依靠自身提供，往往自身携带可充电电池、燃料电池、闭式柴油机等。该类设备优点是活动范围可以不受空间*，并且没有脐带缆，不会发生脐带缆与水下结构物缠绕问题，但是水下的续航能力和负载能力受到自身能源的强烈制约，只能完成一些短程和轻载的工作，而自身的CPU处理能力又很大程度上*了AUV所能从事工作的复杂程度。

英国的“AUTOSUB”及其探测的海底地形信息

AUV在实际的水下作业中无需人工干预，它们可以自主地航行在难于接近的、无法预知的或危险的海洋环境之中，完成自主导航、自主避障和自主作业等任务。因此，AUV成为完成各种水下任务的有力工具，例如，在海洋工程领域，可用于施工前调查、施工中监视、施工后巡检，水下作业支援，水下施工、维护、维修等；在海洋科学研究领域，可以海洋环境数据采集，海床地质地貌勘察，海洋考察，及冰下科学考察；在军事领域，则可用于敌情侦察，水雷战与反水雷战，援潜救生等。

3. 新概念水中机器人

近几年中国研制了多种新概念水中机器人，包括混合型水中机器人（ARV）、便携式自主观测系统、水下滑翔机、两栖机器人、作业型遥控水中机器人、快速反应型水中机器人、用于水下传感网的接驳盒等，它们的特点是突破了传统水中机器人的概念，在原理和结构上有较大的创新。目前，这些研究工作已攻克了多项关键技术，取得了阶段性的成果。在前沿探索领域,先后开展了仿鱼、水面救助、六足步行、海底遁行、轮腿桨一体化、波浪能滑行、水面/水下两栖以及半潜航行器等水中机器人的理论和试验研究。

水下滑翔机（Sea-Wing Glider）

“北极ARV”先后三次参加了北极科学考察。2008年北极ARV参加了中国第三次北极科考，在北纬84度附近开展了基于雪龙船中山艇的冰下观测作业。2010年6月至9月，北极ARV再次参加了中国第四次北极科考，在北纬87度附近北冰洋上一块大面积海冰上，通过从人工开凿的冰冻释放与回收，在冰下针对不同的水平断面，进行了连续多次的重复观测。其搭载的温盐深测量仪、仰视声纳、冰下光学测量仪和两台水下摄像机，获取了大量基于海冰位置信息的海冰厚度、冰下光学和海冰底部形态等多项关键的科学数据，成功实现了冰下多种测量设备的同步观测，为深入研究北极快速变化机理奠定了技术基础。

4. 载人潜水器

美国阿尔文号深潜器

美国是较早开展载人深潜的国家之一，1964年建造的“阿尔文”号载人潜水器是他们的代表作，可以下潜到4500米的深海。1985年，它找到泰坦尼克号沉船的残骸，如今已经进行过近5000次下潜，是当今世界上下潜次数最多的载人潜水器。的里雅斯特号深潜器创下了11000多米的记录，至今无人突破。

日本1989年建成了下潜深度为6500米的深海6500潜水器，水下作业时间8小时，曾下潜到6527米深的海底，创造了载人潜水器深潜的纪录。它已对6500米深的海洋斜坡和大断层进行了调查，并对地震、海啸等进行了研究，已经下潜了1000多次。

“蛟龙”号作为我国首台自行设计、自主集成研制的载人潜水器，可在7000米深海进行高清摄录，海底地形测量，水样、沉积物样、生物样品采集等多项作业。沈阳自动化所在“蛟龙”号各级别试验中负责其大脑，即控制系统的研制及试验任务。在各次海试中，沈阳自动化研究所承担研制的控制系统性能稳定，经受住了各种考验。

5. 仿生水下机器人

仿生机器鱼

仿生机器鱼(bio-mimeticrobotfish又名机械鱼，人工鱼或鱼形机器人)，顾名思义即参照鱼类游动的推进机理利用机械电子元器件或智能材料(smartmaterial)来实现水下推进的一种运动装置。

国外学者很早就致力于对鱼类推进模式及仿生机器鱼的研究。1994年MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金*鱼。此后，结合仿生学、机械学、电子学、材料学和自动控制的新发展，仿生机器鱼的研制渐成热点，下给出了国外一些典型的机器鱼研究项目。

美国和日本进行的机器鱼研究比较多，取得的成果也比较多。国外仿生机器鱼的研究发展趋势是利用新材料、新技术，对机器鱼的结构不断改进；结合水动力学研究的进展，提升机器鱼的综合性能，使之更加符合鱼类的推进机理。在此基础上，开始研制具有3-D运动(上浮/下潜)的机器鱼，并且结合传感和控制技术研制人机交互式的智能鱼。

北京大学智能控制实验室开展了一系列的水中仿生机器人的研究工作，继成功研制仿生机器鱼后，又先后开发了实现背腹式运动的仿生机器海豚，采用两自由度划水运动的机器海龟，基于桨腿复合机构的水陆两栖机器人以及胸鳍和尾鳍驱动能自主定位的仿生盒子鱼。采用多个在身体周围分布的仿生拍动翼进行推进，可实现较为灵活、自如的水下运动，同时能够保证机器人具有良好的稳定性。

（作者：范瑞峰，国际水中机器人联盟常务副秘书长）

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