知力君帶你去看看那些，遨遊水下的不同類型機器人！

（作者：范瑞峰，國際水中機器人聯盟常務副秘書長，原創作品，轉載請註明出自知識就是力量微信公眾號）

精彩內容

水中機器人，又稱海洋機器人或者無人潛水器，是一種可在水下移動、具有感知系統、通過遙控或自主操作方式、使用機械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業任務的機電一體化智能裝置。水中機器人是人類認識海洋、開發海洋不可缺少的工具之一,亦是建設海洋強國、捍衛國家安全和實現可持續發展所必需的一種高技術手段。

水中機器人在機器人學領域屬於服務機器人類，它包括有纜遙控水中機器人(remotelyoperatedvehicles,ROV)和自主水中機器人(autonomousunderwatervehicles,AUV)2大類。此外由於載人潛水器在技術和功能上與水中機器人有共性,我們將其納入水中機器人類。其實這3類機器人的主要差異在於操作模式，操作者在機器人體內稱為載人潛水器，位於體外(如母船上)通過電纜進行操作稱為遙控水中機器人，用體內計算機代替操作者則稱為自主水中機器人。

ARV是一種集自治水中機器人(AUV)和遙控水中機器人(ROV)技術特點於一身的新概念水中機器人。它具有開放式、模塊化、可重構的體系結構和多種控制方式(自主/半自主/遙控)，自帶能源並攜帶光纖微纜，既可以作為AUV使用，進行大範圍的水下調查，也可以作為ROV使用，進行小範圍精確調查和作業。與傳統的AUV相比，ARV可以攜帶機械手，增加了作業能力，而與傳統的ROV相比，ARV將作業範圍從幾百米擴展到幾公里。因此，這種新概念水中機器人可在大範圍、大深度和複雜海洋環境下進行海洋科學研究和深海資源調查，具有更廣泛的應用前景。

水下滑翔機目前是國際上的研究熱點，它是一種無外掛推進器的新型水中機器人。它藉助改變自身浮力和重心在水下做滑翔運動，具有航行阻力小、能源利用率高、航行距離大、雜訊低、成本低、回收方便等優點，可在海洋監測與探測領域發揮重要作用，具有廣闊的應用前景。

1.遙控式水中機器人（ROV）

ROV的能源和控制指令都由水面控制台提供，通過臍帶纜傳遞給ROV。ROV的有點在於動力充足可以支撐複雜或大型的探測設備，信息採集和數據傳送工作快捷方便，數據採集量大，由於其操作控制和信號處理等工作全部由水面的計算機和工作站來完成，人機交互水平高於AUV，所以ROV的總體決策能力要高於AUV。ROV的致命缺陷就是自身的生命線臍帶纜，在短程操作中問題不大，但是在長距離水下作業中，臍帶纜很容易與水下其他結構發生纏繞，當距離較長時，對ROV的動力也是一個很大的挑戰。

圖 輕作業型遙控潛水器

典型的產品主要有美國的「CURV」、日本的KAIKO「海溝」號、法國的PAP104、義大利的PLUTO-plus德國的企鵝-B3、瑞典的海鷹、加拿大的開路先鋒等。其中日本的KAIKO可以到達海洋的最深點——10911.4m的馬里亞納海溝。瀋陽自動化所的自走式電纜埋設機器人「CISTAR」、上海交通大學研發的下潛深度最大功能最強的取樣機器人「海龍號」等。

2.自主水中機器人（AUV）

AUV涉及流體力學、水聲學、光學、通信、導航、自動控制、計算機科學、感測器技術、仿生學等眾多領域的高新技術，成為當代科技最新成果的結晶。AUV在水下通過各類感測器測量信號，經過機載CPU進行處理決策，獨立完成各種操作，例如進行水下機動航行，動力定位，信息採集，水下探測等。通常這種機器人依靠水聲通訊技術與岸基和船基進行聯絡，或者浮出水面，撐起無線電天線，與陸基和衛星進行通訊。AUV的能源完全依靠自身提供，往往自身攜帶可充電電池、燃料電池、閉式柴油機等。該類設備優點是活動範圍可以不受空間限制，並且沒有臍帶纜，不會發生臍帶纜與水下結構物纏繞問題，但是水下的續航能力和負載能力受到自身能源的強烈制約，只能完成一些短程和輕載的工作，而自身的CPU處理能力又很大程度上限制了AUV所能從事工作的複雜程度。

圖 英國的「AUTOSUB」及其探測的海底地形信息

AUV在實際的水下作業中無需人工干預，它們可以自主地航行在難於接近的、無法預知的或危險的海洋環境之中，完成自主導航、自主避障和自主作業等任務。因此，AUV成為完成各種水下任務的有力工具，例如，在海洋工程領域，可用於施工前調查、施工中監視、施工後巡檢，水下作業支援，水下施工、維護、維修等；在海洋科學研究領域，可以海洋環境數據採集，海床地質地貌勘察，海洋考察，及冰下科學考察；在軍事領域，則可用於敵情偵察，水雷戰與反水雷戰，援潛救生等。

3.新概念水中機器人

近幾年中國研製了多種新概念水中機器人，包括混合型水中機器人（ARV）、攜帶型自主觀測系統、水下滑翔機、兩棲機器人、作業型遙控水中機器人、快速反應型水中機器人、用於水下感測網的接駁盒等，它們的特點是突破了傳統水中機器人的概念，在原理和結構上有較大的創新。目前，這些研究工作已攻克了多項關鍵技術，取得了階段性的成果。在前沿探索領域,先後開展了仿魚、水面救助、六足步行、海底遁行、輪腿槳一體化、波浪能滑行、水面/水下兩棲以及半潛航行器等水中機器人的理論和試驗研究。

圖水下滑翔機（Sea-Wing Glider）

「北極ARV」先後三次參加了北極科學考察。2008年北極ARV參加了中國第三次北極科考，在北緯84度附近開展了基於雪龍船中山艇的冰下觀測作業。2010年6月至9月，北極ARV再次參加了中國第四次北極科考，在北緯87度附近北冰洋上一塊大面積海冰上，通過從人工開鑿的冰凍釋放與回收，在冰下針對不同的水平斷面，進行了連續多次的重複觀測。其搭載的溫鹽深測量儀、仰視聲納、冰下光學測量儀和兩台水下攝像機，獲取了大量基於海冰位置信息的海冰厚度、冰下光學和海冰底部形態等多項關鍵的科學數據，成功實現了冰下多種測量設備的同步觀測，為深入研究北極快速變化機理奠定了技術基礎。

4.載人潛水器

圖 美國阿爾文號深潛器

美國是較早開展載人深潛的國家之一，1964年建造的「阿爾文」號載人潛水器是他們的代表作，可以下潛到4500米的深海。1985年，它找到泰坦尼克號沉船的殘骸，如今已經進行過近5000次下潛，是當今世界上下潛次數最多的載人潛水器。的里雅斯特號深潛器創下了11000多米的記錄，至今無人突破。

日本1989年建成了下潛深度為6500米的深海6500潛水器，水下作業時間8小時，曾下潛到6527米深的海底，創造了載人潛水器深潛的紀錄。它已對6500米深的海洋斜坡和大斷層進行了調查，並對地震、海嘯等進行了研究，已經下潛了1000多次。

「蛟龍」號作為我國首台自行設計、自主集成研製的載人潛水器，可在7000米深海進行高清攝錄，海底地形測量，水樣、沉積物樣、生物樣品採集等多項作業。瀋陽自動化所在「蛟龍」號各級別試驗中負責其大腦，即控制系統的研製及試驗任務。在各次海試中，瀋陽自動化研究所承擔研製的控制系統性能穩定，經受住了各種考驗。

5.仿生水下機器人

仿生機器魚

仿生機器魚(bio-mimeticrobotfish又名機械魚，人工魚或魚形機器人)，顧名思義即參照魚類遊動的推進機理利用機械電子元器件或智能材料(smartmaterial)來實現水下推進的一種運動裝置。

國外學者很早就致力於對魚類推進模式及仿生機器魚的研究。1994年MIT研究組成功研製了世界上第一條真正意義上的仿生金槍魚。此後，結合仿生學、機械學、電子學、材料學和自動控制的新發展，仿生機器魚的研製漸成熱點，下給出了國外一些典型的機器魚研究項目。

美國和日本進行的機器魚研究比較多，取得的成果也比較多。國外仿生機器魚的研究發展趨勢是利用新材料、新技術，對機器魚的結構不斷改進；結合水動力學研究的進展，提升機器魚的綜合性能，使之更加符合魚類的推進機理。在此基礎上，開始研製具有3-D運動(上浮/下潛)的機器魚，並且結合感測和控制技術研製人機互動式的智能魚。

北京大學智能控制實驗室開展了一系列的水中仿生機器人的研究工作，繼成功研製仿生機器魚後，又先後開發了實現背腹式運動的仿生機器海豚，採用兩自由度划水運動的機器海龜，基於槳腿複合機構的水陸兩棲機器人以及胸鰭和尾鰭驅動能自主定位的仿生盒子魚。採用多個在身體周圍分布的仿生拍動翼進行推進，可實現較為靈活、自如的水下運動，同時能夠保證機器人具有良好的穩定性。

編輯：鄭楠

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