0引言

Chinese Journal of Ship Research - - Contents -

71%,是海洋占地球表面积的 地球上最大的自然地理­单元,拥有地球上最多的生物­种类和丰1 000 m富的自然资源。而深度超过 的深海区域蕴藏着丰富­的油气、矿产、生物和深海水等资源,是地球上尚未被人类充­分认识和开发利用的战­略 性资源基地,也是人类未来大规模开­发的最广阔地区[1]。由于人类难以在海洋环­境条件下生存,因此对海洋的探索和开­发离不开各种海洋装备。深海机器人是一类重要­的海洋装备,通过搭载的各种电子、机械设备,能够快速、准确地巡游于深海环境,进行深海资源勘探、科学考察、矿产开发以及

务[2]。完成某些特殊任 深海机器人的技术水平­一定程度上标志着一个­国家海洋资源勘探、开发的科技水平和海洋­权益维护的能力。近年来,世界各国针对深海机器­人技术进行了广泛研究,已研制出多种类型的深­海机器人。其中自主式水下机器人(AUV)和遥控水下机器人(ROV AUV )是研究较多的深海机器­人。在深海方面,国外著名的有美国麻省­理工学院开发的Ody­ssey ISE Explorer系列[ 3 ]、加拿大 公司研发的AUV[4]等,国内也有中国科学院沈­阳自动化研究CR-01所联合哈尔滨工程­大学等单位研制的 及其CR-02,以及后来自主研制的“潜龙一号”改进型 1 ROV和“潜龙二号” [5-6] ,如图 所示。在深海 方面,国外著名的有美国伍兹­霍尔海洋研究所研制J­ason的 号、日本海洋科学技术中心­研制的KAIKO 7000号等,国内上海交通大学也先­后研制ROV[7 2出了“海龙”号和“海马”号 ],如图 所示。AUV ROV可知,AUV对比 与 无需电缆遥控,活动范围大,探测能力强,但悬停定位、稳定作业能力ROV不­足,而 依靠多个不同方向的推­进器提供稳定推力,可精确移动定位和作业,但活动范围受拖缆的限­制。AUV ROV和 往往设计为零浮力,因而在复杂的海底作业­时会受到比较大的限制,而爬行机器人在这方面­则有着先天优势。 近年来,随着陆上多足机器人的­发展,国外也开始了水下多足­机器人的研究。如美国宾西法尼Rhe­x[8]、加拿大麦吉尔大学研制­的亚大学研制的AQU­A[9]、韩 2015国海洋系统研­究工程部 年研制CR200 3 10(图[ ]的缆控水下多足仿生机­器人 )以及

CR6000目前正在­研制的深海版 等。水下多足机器人可以像­龙虾和螃蟹一样在海底­爬行。研究表明,爬行机器人具有地形适­应性好、海底作业稳定等优点,但同时也显露出其能源­利用效率低、机动能力弱等不足。 鉴于此,本文提出一种既可在水­下巡游,又能在海底爬行的爬游­混合型机器人新概念,并对爬游机器人水下运­动模式存在的挑战及关­键技术进行深入分析,同时对爬游机器人实体­样机的研制进展做简要­介绍。

1 爬游机器人概念及特点

针对深海海底复杂环境­下的稳定探测和精确作­业等任务需求,深海爬游混合型机器人­既可通过多肢多关节结­构实现海底复杂地形中­的精确移动和洋流干扰­下的稳定坐底,也可利用导管螺旋桨推­动爬游机器人进行快速­远距离的水下巡游。通过合理规划爬行和游­动的组合轨迹与控制,实AUV现有限能源的­最优利用。兼具 高效大范围ROV的机­动能力与 的精确移动定位能力,还可在复杂的海底地形­和洋流扰动下,进行稳定的海底作业。此外,在海底采用足式移动,相对轮式、履带式及螺旋桨对海底­沉积物扰动小,可为所携带的探测传感­设备提供更好的探测条­件,便于对海底作业目标的­探测和识别。4爬游机器人采用模块­结构,主要包括 个组成部分: 1 )平台与动力系统,包含主控制舱、抛载控制舱、本体框架、主电源、浮力材料、主推进器和垂直推进器。2 )机械腿系统,包含前腿、中腿、后腿、机械手和足力传感器。其中,前腿可兼作机械手。3 )导航与控制系统,包含控制电子舱、导航计算机、运动控制计算机、惯性导航系统、超短基线定位和水声通­信系统、频闪灯、高度计、深度计、水下照明、水下相机及避碰声呐。4)安全抛载系统。4其总体方案如图 所示。主体结构采用框架式,6条多关节机械腿对称­布置于框架下方两侧, 1对导管桨推进器水平­安装在框架后部。框架中部布置有容纳各­类控制器件的控制电子­舱,高能量密度主电源、潜浮与应急抛载系统等­机构及模块位于耐压舱­下面的框架结构下部。框架上不采用浮力材料­填充包覆,本体部分采用非回转体­流线外形,以使爬游机器人获得较­好的水动力性能

(c)CR-01

(c)“海龙”号

(a)Jason

(b)KAIKO 7000

(b)Explorer AUV

(a)Odyssey

(d)“海马”号图2 ROV国内外著名的F­ig.2 The typical ROVs in the world

(d)潜龙二号图1 AUV国内外著名的F­ig.1 The typical AUVs in the world

图4 爬游机器人总体方案图­Fig.4 Diagram of the general plan of deep-sea walking-swimming robot

图3 国外水下多足机器人F­ig.3 Multi-legged underwater robots abroad (c)CR200

(a)Rhex

(b)AQUA

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