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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