水下機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

1、水下機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀摘要:介紹了國內(nèi)外典型水下機(jī)器人的性能特點(diǎn)，闡述了國內(nèi) 外水下機(jī)器人發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀 ，總結(jié)了水下機(jī)器人發(fā)展中存 在的一些關(guān)鍵問題，并對未來水下機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展動向作出 了展望.0引言機(jī)器人技術(shù)是集運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)理論、機(jī)械設(shè)計與制造技 術(shù)、計算機(jī)硬件與軟件技術(shù)、控制理論、電動伺服隨動技術(shù)、 傳感器技術(shù)、人工智能理論等科學(xué)技術(shù)為一體的綜合技術(shù).它的研究與開發(fā)標(biāo)志著一個國家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，而其在各種機(jī)械領(lǐng)域的普及應(yīng)用，則顯示了這個國家的經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展 的實力.世界上許多國家為了推進(jìn)本國的機(jī)器人開發(fā)事業(yè)，打 入競爭日益激烈的國際高科技市場 ，不惜投入巨大的人力、財 力來推動機(jī)

2、器人技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出了許多類型的機(jī)器人.機(jī) 器人的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸從人工環(huán)境擴(kuò)展到了水下和宇宙.隨著人口數(shù)量的增長和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人類已把海洋作為生存和發(fā)展的新領(lǐng)域，海洋的開發(fā)與利用已經(jīng)成為決定一個 國家興衰的基本因素之一.從而使水下機(jī)器人具有更加廣闊的 應(yīng)用前景.水下機(jī)器人設(shè)計是一項綜合性的復(fù)雜工程，技術(shù)密 集度高，是公認(rèn)的高科技，它的研制水平體現(xiàn)了一個國家的綜 合技術(shù)力量.水下機(jī)器人一般可以分為兩大類:一類是有纜水下機(jī)器人,習(xí)慣稱為遙控 潛水器（RemoteOperatedVehicle, 簡稱ROV）;另一類是無纜水下機(jī)器人，習(xí)慣稱為自治潛水器 （AutonomousUnder

3、waterVehicle, 簡稱 AUV）.此外，按使用的 目的分，有水下調(diào)查機(jī)器人（觀測、測量、試驗材料的收集等）和水下作業(yè)機(jī)器人（水下焊接、擰管子、水下建筑、水下切割 等作業(yè)）;按活動場所分，有海底機(jī)器人和水中機(jī)器人.水下機(jī)器人在20世紀(jì)50年代初誕生時，由于所涉及的新 技術(shù)還不夠成熟，電子設(shè)備的故障率高,通信的匹配以及起吊 回收等問題沒有很好解決,因此發(fā)展不快,沒有受到人們的重 視.到了 60年代，國際上開始兩大開發(fā)技術(shù)，即宇宙和海洋開 發(fā)，促使遠(yuǎn)距離操縱型機(jī)器人得到了很快的發(fā)展，到了 80年代,由于海洋開發(fā)與軍事上的需要，尤其是水下機(jī)器人本體所需的 各種材料及技術(shù)已得到了較好的解決，水

4、下機(jī)器人才得到了很大發(fā)展,開發(fā)出了一批能工作在各種不同深度,進(jìn)行多種作業(yè) 的機(jī)器人，可用于石油開采、海底礦藏調(diào)查、救撈作業(yè)、管道 敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和檢查、海上養(yǎng)殖、江河水庫的大壩檢 查及軍事等領(lǐng)域.目前，水下機(jī)器人大部分是框架式和類似于 潛艇的回轉(zhuǎn)細(xì)長體，隨著仿生科技技術(shù)的不斷發(fā)展，仿生魚形 態(tài)甚至是運(yùn)動方式的水下機(jī)器人將會不斷發(fā)展。水下機(jī)器人工作在充滿未知和挑戰(zhàn)的海洋環(huán)境中，風(fēng)、浪、流、深水壓等各 種復(fù)雜的海洋環(huán)境對機(jī)器人的運(yùn)動和控制干擾嚴(yán)重，使得水下機(jī)器人的通信和導(dǎo)航定位十分困難，這是與陸地機(jī)器人最大的不同，也是目前阻礙水下機(jī)器人發(fā)展的主要因素。1國外水下機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀國外從20年代

5、開始現(xiàn)代潛水器研制，一直到60年代，主要 是向深度挑戰(zhàn).1934年,美國潛水器潛入 914m深度.1960年, 人類終于下潛到海洋最深處10913m,即太平洋馬里亞納海 溝.60年代，以美國“阿爾文”號深潛器為代表的第二代潛水器得到發(fā)展.這類潛水器帶有動力，還配置了水下電視、機(jī)械手 等,不僅可以觀察,還可以進(jìn)行一些簡單作業(yè)和海洋資源調(diào)查 等任務(wù).“阿爾文”號以鉛酸電池作為動力，下潛深度 3658m.1961年,美國首先在潛水艇“脫里埃斯特”號裝上機(jī)械 手臂.1963年,美國開始執(zhí)行深海發(fā)展計劃在許多潛水調(diào)查船 上安裝機(jī)械手臂.1966年1月，美國人使用了一個名叫“科沃” 的機(jī)器人，把因轟炸機(jī)失

6、事落到700多米深海底的一顆氫彈安全地打撈起來.1970年,美國深潛救生艇DSRV下水,最大下潛深度1069m, 并配有7自由度機(jī)械手.一次可營救24名人員.1979年,美、 英聯(lián)合進(jìn)行DSRV救援演習(xí)獲得成功，這是人類歷史上第一次 在水下由救生艇，向另一潛艇進(jìn)行人員轉(zhuǎn)移.70年代中后期, 新一代無人遙控潛水器ROV使?jié)撍靼l(fā)展到了鼎盛時期.水下機(jī)器人開始大量取代過去由載人深潛器和潛水員所承擔(dān)的工 作，尤其是在大深度和危險的區(qū)域，發(fā)揮了更大的優(yōu)勢.海底調(diào)查機(jī)器人（SIR系統(tǒng)）是一個海底檢測和檢查用的機(jī)器人系統(tǒng)，履帶式移動，裝備著各種傳感器和儀器、水下電視、照相設(shè)備 以及現(xiàn)場土質(zhì)試驗裝置.它可在

7、母船操縱下下潛到 70米深的 海底,檢測100米見方的區(qū)域.除了上述有纜水下機(jī)器人以外 ， 還有一種無纜水下機(jī)器人,整個外形象一個魚雷.它由母船通 過聲波進(jìn)行遙控，能按給定的航道、深度，以每小時6海里的速 度航行.在最大速度時續(xù)航時間為 6小時.DUPLUS II型水下機(jī)器人是英國 DUPLUS公司1987年研制成 的一種新型水下機(jī)器人.它的獨(dú)到之處是可按有人、無人或有 人加遙控等工作方式來使用.它的作業(yè)深度為 750m,在載人時, 由于水下視覺較直觀，在水下攝影、觀察和水下機(jī)動作業(yè)都比 較方便HYBALL水下機(jī)器人是英國HYDROVISION有限公司于90 年代開發(fā)研制的最新產(chǎn)品.它具有操縱

8、簡單、成本低廉、保養(yǎng) 維修方便、性能先進(jìn)可靠、功能齊全等優(yōu)點(diǎn).HYBALL水下機(jī)器人完全由水面控制單元內(nèi)的計算機(jī)控制，操作員只要在水面使用操縱桿，便可控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、側(cè)推、上升或下潛.水下機(jī)器人在軍事領(lǐng)域中也具有極高的利用價值和良好的發(fā) 展前景.美國海軍正積極研制更加先進(jìn)的水下機(jī)器人.制式遙 控探雷系統(tǒng)RMS(V)是1994年8月由洛克希德馬丁公司開始 研制的,它是一個半潛式的遙控潛水器,裝有前視聲納及可變 深度的掃雷聲納.RMS(V)可由水面作戰(zhàn)艦只攜帶,艦隊到達(dá)雷 區(qū)時，該系統(tǒng)可在戰(zhàn)艦前行駛，并對3-61米深的海中沉底雷及 錨雷進(jìn)行探測、分類及定位,使艦隊可以繞過水雷前進(jìn).1996

9、年底，該公司開始研制RMS(V)3型系統(tǒng)，它采用了新的潛水器， 長7.3米,重5443公斤,從空中和水下都難發(fā)現(xiàn)它.母艦通過一 條低數(shù)據(jù)率的無線電線路控制潛水器,而RMS(V)則通過一條高數(shù)據(jù)率的單向線路將測得的水雷數(shù)據(jù)傳送給母艦，因而很難被敵人截獲.美國海軍還于1996年底開始設(shè)計長期水雷偵察系統(tǒng)，2000年開始研制.這種潛水器將裝載洛杉磯級核潛艇及美國新型攻 擊型潛艇上.此外，海軍還打算在LMRS的基礎(chǔ)上，換上不同的傳感器負(fù)載，去完成海洋監(jiān)視、情報及戰(zhàn)術(shù)等各種特殊任務(wù). 此外，從1996年開始，美國海軍作戰(zhàn)中心的海岸系統(tǒng)研究所對 基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行了探索性研究，重點(diǎn)研究了海浪區(qū)潛水器的改進(jìn) 及潛

10、水環(huán)境下的作業(yè).研究提出的一種方案是，在一個無人潛 水器(UUV)中裝入一群(20-25個)機(jī)器人，由一艘軍艦在距海 岸25-30英里處放出機(jī)器人并在那里等候，機(jī)器人在水底爬向 準(zhǔn)備登陸的通道，搜索水雷及其它障礙物，并清除這些障礙物. 近年來，隨著仿生學(xué)研究的不斷進(jìn)步，許多水下機(jī)器人科研工 作者又將注意力集中到長期生活在水下，特別是能在水中自由遨游的魚類的游動機(jī)理的研究上.魚類長期生活在水下，進(jìn)化 出了性能完備的游動機(jī)能和器官.利用魚類游動機(jī)理推動機(jī)器人在水下浮游的想法伴隨著仿生學(xué)、材料學(xué)、自動控制理論等 學(xué)科的發(fā)展成為現(xiàn)實.日本名古屋大學(xué)的福田敏男提出了一種 基于魚類胸鰭游動推進(jìn)機(jī)理由壓電陶

11、瓷推動兩個對稱模片擺動的微型水下浮游機(jī)器人，進(jìn)行了一系列研究，并研制了試驗 樣機(jī).美國佛羅里達(dá)中心大學(xué)的科研人員正在研制一種微電子 魚水下機(jī)器人“ MERIF ”，該機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)完全由形狀記憶 合金制成，主要由控制、運(yùn)動、驅(qū)動、懸浮、傳感等5個子系統(tǒng)組成.其主要目的是模仿自然界的魚類,通過魚尾的擺動實 現(xiàn)機(jī)器人的水下浮游；研制一種無噪聲的水下驅(qū)動系統(tǒng),使機(jī) 器人更接近所要觀察、研究的水下生物；采用一種“能量循環(huán)”的方法，實現(xiàn)大范圍、長時間的水下作業(yè).此外，日本和美國在電磁馬達(dá)驅(qū)動仿生機(jī)器魚等方面也進(jìn)行了大量的系統(tǒng)研究，取得了大量的研究成果，均成功的研制出了試驗樣機(jī)。在2007年月底，美國國

12、家航空航天局資助的全自動水下機(jī)器人成功地在世界上最深的水下洞穴進(jìn)行了探測。這一項目將是未來探測木星衛(wèi)星木衛(wèi)二的序曲，科學(xué)家們認(rèn)為木衛(wèi)二上有液態(tài)水形成的海洋。深井熱量探測器（DEPTHX）是一個重約3300磅的計算機(jī)化的潛水器，它能夠自行做出決定。深井熱 量探測器有著超過一百個傳感器，三十六個機(jī)載計算機(jī)和十六 個推進(jìn)器與制動器，它能夠決定去哪里、采集哪個樣品和如何 回家。自動水下機(jī)器人反復(fù)下沉到墨西哥的一個神秘的水下洞 穴中，以此來試驗種種傳感器、聲納和其它設(shè)備。這個機(jī)器人還獲得了眾多的水樣和天然井壁上膠粘的生物薄膜的樣品。個電池供電的機(jī)器人到達(dá)了 1099英尺的深度，這個深度要比人類潛水者能夠

13、到達(dá)的深度還深。雖然最初有一個數(shù)據(jù)鏈，后 來深井熱量探測器能夠自動完成操作，無需一個系鏈或者人類指導(dǎo)，直到每次完成八小時工作。2國內(nèi)水下機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀我國從70年代開始較大規(guī)模地開展?jié)撍餮兄乒ぷ鳎?0多年來,先后研制成功以援潛救生為主的7103艇（有纜有人）、I型救生鐘（有纜有人）、QSZ單人常壓潛水器（有纜有人）、8A4 水下機(jī)器人ROV（有纜無人）和軍民兩用的HR 一 01ROV,RECONIVROV 及 CR-01A6000m 水下機(jī)器人 AUV（無人無纜） 等，使我國潛水器研制達(dá)到了國際先進(jìn)水平.I型救生鐘是我 國第一代潛水鐘，主要實施海上援潛救生，它以濕救為主，兼顧 干救,下潛深

14、度130m, 一次可救助艇員6-8人.在良好海況下， 失事艇座沉海底傾角不大時，也可以與失事艇救生平臺對口干 救.80年代中，我國開始研制作業(yè)型載人潛水器,典型代表是 QSZ單人常壓潛水器.80年代末，中國船舶工業(yè)總公司組織二 所二校聯(lián)合攻關(guān)，研制8A4水下機(jī)器人.其目標(biāo)是研制一臺以 軍用援潛救生為主兼顧海洋油氣開發(fā)，具有局部智能的無人纜控作業(yè)型水下機(jī)器人一ROV.它有三個顯著的技術(shù)特征：總體性 能好于當(dāng)時國內(nèi)正在研制的各種纜控潛水器，技術(shù)層次上區(qū)別 于“863 ”無纜水下機(jī)器人；吸取引進(jìn)的AMETEK2006ROV先進(jìn)技術(shù)，按作業(yè)要求，改進(jìn)其不足之處；以援潛救生為主，逐步實現(xiàn)搶險救生作業(yè)智能

15、化.8A4水下機(jī)器人工作深度為 600m,設(shè)有 中繼站，巡航半徑為150m,配有五功能錨定手和六功能作業(yè)手 并配有六種作業(yè)工具支持.8A4水下機(jī)器人1993年通過海試. 同時期，我國ROV另一典型代表是RECONIV水下機(jī)器人，它是沈 陽自動化所引進(jìn)美國PERRY公司的關(guān)鍵技術(shù)研制成功的，在南 海石油平臺作業(yè)中投入商業(yè)應(yīng)用 ，并擬在海軍各救撈大隊配備 使用.上海交通大學(xué)和加拿大I.S.E公司通過政府合作方式，聯(lián)合研制成功 Hysub10 及 Hysub40ROV.RECON-IV-300-SIA 水下 機(jī)器人是中國科學(xué)院沈陽自動化研究所“七五”期間從美國 PERRY公司引進(jìn)RECON水下機(jī)器人

16、技術(shù)的基礎(chǔ)上自行研仿而成 的,水下工作時機(jī)動性和活動半徑較大,其國產(chǎn)化率達(dá)90%以 上.進(jìn)入90年代,我國深潛器研制取得了重大突破，其典型代表是“探索者”號 1000m無人無纜遙控潛水器和“ CR 01A ” 6000m無人無纜遙控潛水器AUV.1994年10月“探索者”號在西沙群島近海域成功地下潛到水下1000米深處，成為我國到達(dá)深海的先驅(qū)者，專家一致認(rèn)為“探索者”號無纜水下機(jī)器人整機(jī)功能、主要技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到國際90年代最先進(jìn)的同類型水下機(jī)器人水平.“CR 01A ”借助了俄羅斯的有關(guān)技術(shù)力 量,其設(shè)計深度為6000m.1995年10月,在夏威夷附近海域，成 功地下潛到5300m，拍攝到

17、海底錳結(jié)核礦分布情況，獲得了清 晰的海底錄像、照片和聲納淺剖圖，收集到大量珍貴數(shù)據(jù).它的試驗成功，使我國能夠?qū)弦酝獾恼际澜绾Ｑ竺娣e的97%的大洋海底進(jìn)行精確、高效、全覆蓋地觀察、測量、儲存和進(jìn)行 時實傳輸，并能精確繪制深海礦區(qū)的二維、三維海底地形地貌 圖.還建立了以資源庫、環(huán)境庫、和文件庫組成的“大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)數(shù)據(jù)庫”,推動了我國海洋技術(shù)的發(fā)展，并使我國 在無人無纜自治水下機(jī)器人領(lǐng)域里一步跨越了20年.表明我國已成為繼美、法、俄、日等國之后，能研制6000m深潛器的國家之一，為今后大洋錳結(jié)核礦探測和大規(guī)模開采，創(chuàng)造了先 決條件.“CR 01 ”繼1995年在太平洋完成深海功能試驗之后

18、，經(jīng)歷 了一年半的工程改造，于1997年5月20日到6月27日，又一 次在太平洋圓滿地完成了各項洋底調(diào)查任務(wù)，獲得了大量的數(shù)據(jù)和資料.“CR 01 ”性能優(yōu)異，可靠性高，能執(zhí)行遙控命令, 是一項高新技術(shù)成果，也是863計劃的一個重大成果.這兩次 深海試驗的成功表明，我國研制的第一代6000米水下機(jī)器人制造技術(shù)已經(jīng)成熟，從而使我國的水下自治機(jī)器人制造技術(shù)達(dá) 到了世界先進(jìn)水平.同時期，國內(nèi)也開始了基于仿生學(xué)原理的水下機(jī)器人的研 究工作.2000年左右，哈爾濱工程大學(xué)正在進(jìn)行基于蠕動原理 水下機(jī)器人的研究工作，并取得了順利的進(jìn)展。此后經(jīng)過10多年努力，AUVs的研究和開發(fā)技術(shù)取得了豐碩的成果，使中國

19、的 AUVs技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，并且取 得重大應(yīng)用成果。在2014年9月結(jié)束的我國第六次北極科考中，由中科院 沈陽自動化所研制的“北極 arv ”水下機(jī)器人一顯身手，先后 三次自主完成長期冰站指定海冰區(qū)的海冰厚度、冰底形態(tài)、海 洋環(huán)境等參數(shù)測量工作。此前，青島羅博飛海洋技術(shù)有限公司 的飛魚號水下機(jī)器人還進(jìn)行過水上事故搜救。不需要呼吸氧氣，也不需要休息，能實時傳回水底信 息這都是水下機(jī)器人的神奇之處。近年來，在水下搜救、 海底勘探、水面應(yīng)急處理等方面，水下機(jī)器人正在發(fā)揮著越來 越重要的作用。盡管目前我國的水下機(jī)器人研發(fā)進(jìn)展巨大，但 其產(chǎn)業(yè)化程度仍不夠，而核心部件受制于人，更是成為水下機(jī) 器人

20、進(jìn)一步發(fā)展的最大阻礙。3水下機(jī)器人技術(shù) 發(fā)展中的幾個問題3.1產(chǎn)業(yè)化仍有不足目前國際上遙控水下機(jī)器人技術(shù)及制造產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成熟，形 成了所謂的“ ROV工業(yè)”；自主水下機(jī)器人和水面機(jī)器人仍處 于從實驗室走向應(yīng)用的過渡階段，產(chǎn)品尚未完全成熟，除軍用 外，只有少數(shù)型號能作為商品出售，其應(yīng)用范圍還有待開拓。而在國內(nèi)，無論是 ROV還是AUV，均尚未形成產(chǎn)業(yè)。目前，國外擁有的水下機(jī)器人中的主要類型我們所里均有 研制開發(fā)，其總體集成水平大體上達(dá)到或接近國際水平，但在 應(yīng)用層面上還明顯不足。3.2核心部件何時中國制造水下機(jī)器人不僅需要“視力好”，能夠進(jìn)行高速、高精度 光學(xué)自動定位，還需要耐腐蝕、動作靈活，而這

21、些條件，離不 開關(guān)鍵部件的制造。與發(fā)達(dá)國家相比，我國在一些關(guān)鍵部件和關(guān)鍵材料的研究 方面還有很大差距，要實現(xiàn)水下機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化，重點(diǎn)在于市 場的開拓和基礎(chǔ)材料、重要組部件、各種高精度探測設(shè)備和傳 感器的研究開發(fā)。林揚(yáng)指出，雖然我國的總體技術(shù)和研發(fā)能力已達(dá)到或接近 國際先進(jìn)水平，但在一些關(guān)鍵部件和某些材料的研究方面還有 很大差距。材料是特種機(jī)器人的核心技術(shù)之一。與其他機(jī)器人相比，目前 AUV的情景感知、導(dǎo)航定位、自 主控制等智能水平還相對較低，僅限于完成水下探測、目標(biāo)搜 尋等簡單、重復(fù)的任務(wù)。此外，由于與海水介質(zhì)的接觸，低密 度、高強(qiáng)度的材料以及密封、防腐等也是水下機(jī)器人特有的技 術(shù)，且隨著深度的增加，其難度也越來越大。水下機(jī)器人的發(fā)展與材料、能源、傳感器、控制、通信、 人工智能等密切相關(guān)。要實現(xiàn)水下機(jī)器人向更深、更遠(yuǎn)、功