1、大学计算机基础课程报告论文名称：水下机器人研究现状与探索二零一七年一月目 录摘 要 .3关键词 .31 引言( Introduction) .42 水下机器人分类 ( The categories of underwater robot ).52.1 遥控式水下机器人(remotely operated vehicles, ROV） .62.2 自主水下机器人(Autonomous underwater vehicles, AUV） .72.3 新概念水下机器人 .83 水下仿生机器人（bionic underwater robot） .93.1 水下仿生机器人主要研究和发展趋势 ( The.
2、10main research and development trends of.10bionic underwater robot） .103.2 水下仿生机器人的问题(The Problems of bionic underwater robot).113.3 驱动以及推进方式 .124 仿生创新思路 .154.1 以乌贼为代表的海洋动物结构及运动方式 .154.2 复合式水下仿生机器人 .154.3 群体水下仿生机器人 .165 结论 .17参考文献： .17水下机器人研究现状与探索朱钰璇摘 要: 本文总结了水下机器人的研究历史，现状与目前的发展趋势，具体分析了现代水下机器人应用的技术
3、，指出他们的优缺点，并且针对未来的深海探索机器人的材料，结构，移动方式，动力来源，仿造乌贼等海洋软体动物提出设想，实际应用前景广阔。随着科学技术的发展, 水下仿生机器人在智能材料制成的驱动装置、游动机理方面会不断地完善, 在个体的智能化和群体的协作方面也会有很大的发展。关键词: 水下机器人；深海探索；仿生；PRESENT STATE AND FUTURE DEVELOPMENT OF UNMANNED UNDERWATER VEHICLE TECHNOLOGY RESEARCHZHU YuxuanAbstract: In this paper, the history, present sit
4、uation and future of Unmanned underwater vehicle technology are summarized. We also further describe the mobile robot technologies concerning Unmanned underwater vehicle . In addition, point out the advantages and disadvantages of these technologies . And the exploration of the robot which used to e
5、xplore the deep sea in the future of material, structure, movement way, the power source, puts forward the idea imitating Vampire Squid. Broad practical application prospects can be expected. With the development of science and technology, bionic underwater robot will be improved in driving system m
6、ade - up by smart materials and locomotion theories gradually, individual intelligence and team cooperation.Keywords: Unmanned underwater vehicle；the exploration of deep sea; Bionic1 引言( Introduction)世界海洋机器人(unmanned marine vehicles, UMV)发展的历史大约 60 年，经历了从载人到无人，从遥控到自主的主要阶段。加拿大国际潜水器工程公司(ISE)总裁麦克 法兰将海洋
7、机器人的发展历史分为 4 个阶段 1，并将前 3 个阶段称为革命(revolution)：第一次革命在 20 世纪 60 年代，以 3 人潜水器为标志；第二次革命为 70 年代，以遥控水下机器人的迅速发展为特征；第三次革命大体为 80 年代，以自主水下机器人的发展和水面机器人(USV)的出现为标志。现在则是混合型海洋机器人的时代。水下机器人(Unmanned underwater vehicle, UUV)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。水下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
8、设海洋强国、捍卫国家安全和实现可持续发展所必需的一种高技术手段。水下机器人的移动方式十分多样。螺旋桨推进的水下机器人存在流体推进效率低、动作不灵活、噪音大、桨叶会伤害海洋动物等问题。针对这些问题,游动水下仿生机器人如机器鱼应运而生,但它们耐压能力较低。软体动物乌贼凭借喷射和鳍波动的高效、灵活的复合游动方式,成功地与鱼类竞技海洋;它们依靠肌肉性静水骨骼,活跃于从上千米的深海至海平面的广阔海域。 2就当前水下仿生机器人的发展水平来看，现有水下仿生机器人的功能特性仍然与被模仿的生物存在很大差距。生物体本身结构复杂，其运动规律又难以观测，学科交叉方面也存在问题。这都限制了仿机器人的发展。在未来的发展中
9、，应利用多学科优势并从生物性能出发，使得水下仿生机器人向着结构与生物材料一体化的类生命系统发展，才能在生产生活中发挥更为重要的作用。32 水下机器人分类 ( The categories of underwater robot )水下机器人在机器人学领域属于服务机器人类，它包括有缆遥控水下机器人(remotely operated vehicles, ROV)和自主水下机器人(autonomous underwater vehicles, AUV)2 大类。此外由于载人潜水器在技术和功能上与水下机器人有共性,我们将其纳入水下机器人类。其实这 3 类机器人的主要差异在于操作模式， ROV 是拴在
10、宿主舰船上，由操作人员持续控制；AUV 则是可经过编程航行至一个或多个航点，自带电能，不用缆线。美军在 2014 年搜寻马航客机残骸出动的“金枪鱼 ”就属于 AUV。但是这两种类型的无人潜航器（UUV ）同样都会涉及到包括仿生、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、通讯、能源系统等六大技术。目前，水下机器人主要于水产养殖、水下结构勘查、水底残骸估测、救援、环境生态监测、水下摄影等领域。比如，在 2011 年的日本海啸后，就有使用大量的水下机器人帮助水产行业恢复；德国则是把“海獭”水下机器人用于近海石油调查、通信线路检查、军事应用以及深海探测打捞等。2.1 遥控式水下机器人(remot
11、ely operated vehicles, 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。图 1 列出了 2002 年和 2008 年遥控水下机器人数量按
12、深度分布的情况。从图中可以看出：潜神小于 1000m 的机器人占总量的 40%左右，这是由于绝大多数海洋资源在近海，近海水下生产活动多，需求量最大；中等潜深（20004000m ）的大约占 26%主要服务于深水油气生产及大洋中脊的科研活动潜深大于 7000m 的占 31%。图 1 ROV 按深度的数量分布（%）Fig. Quantitative distribution of ROV by depth(%)注：图中深色为 2002 年数据，浅色为 2008 年数据，纵坐标为数量/总量的百分比，横坐标1000m 为深度。根据 4数据绘制2.2 自主水下机器人(Autonomous underwa
13、ter vehicles, 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限制，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
14、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限制了 AUV 所能从事工作的复杂程度。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。图 2 英
15、国的“AUTOSUB”3 水下仿生机器人（bionic underwater robot）图 4：水下仿生机器人发展历程3.1 水下仿生机器人主要研究和发展趋势 ( Themain research and development trends ofbionic underwater robot）仿生机器鱼(bio-mimetic robot fish)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(smart material)来实现水下推进的一种运动装置。鱼类是最早的脊椎动物之一，经过长期的自然选择进化出非凡的水下运动能力，鱼类的运动具有高效
16、、高机动、低噪声等特点。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。对鱼类的形态、结构、功能、工作原理及控制机制等进行模仿、再造，能提高水下机器人的推进效率和速度，使水下机器人更适合在狭窄、复杂和动态的水下环境中进行监测、搜索、勘探、救援等作业。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枪鱼。（如上图）该阶段机器鱼主要采用 BCF 推进模型，研究人员致力于如何提高推进效率以及提高机器鱼的运动灵活性。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。大部分鱼类的推进方式分为身体尾鳍（body and/or caudal fi
17、n，BCF）推进模式和中间鳍对鳍（median and/or paired fin，MPF）推进模式两种。其中，采用 BCF 模式游动的鱼类，主要通过身体的波动和尾鳍的摆动产生推进力，其瞬时游动的加速性能好，周期游动的巡航能力强；采用 MPF 模式的鱼类，主要依靠胸鳍或腹鳍的摆动产生推进力，其机动性能好。如 2010 年新加坡南洋理工大学研制的“RoMan-II”仿生蝠鲼试验样机（图 5），身体两侧平均分布有 6 个柔性鳍条，通过鳍条的拍动产生推进力，可实现各个方向的机动性，该样机可完成原地转弯和直线后退等高难度动作，稳定巡航时，速度可达到 0.5 m/s 5 。图 5 图 6近年来，随着仿生
18、材料、柔性材料的出现，采用柔性驱动成为了水下仿生机器人的一个研究热点。如 2011 年，美国弗吉尼亚大学研制的仿生蝠鲼（图6），质量为 55.3 g。该仿生蝠鲼的鳍条采用人工肌肉产生驱动力，通过水池游动试验测定其速度可达 0.4 cm/s 。此外，美国哈佛大学也进行了柔性驱动的相关研究，并研制了利用柔性胸鳍进行推动的水下机器鱼。3.2 水下仿生机器人的问题(The Problems of bionic underwater robot)水下仿生机器人发展至今，对其研究取得了一系列的成果，显示出了广阔的应用前景和极强的生命力。但由于其学科交叉性，发展至今依然存在“形似而神不似”、实际应用有限等诸
19、多问题。其中有一些是仿生机器人的共性。首先，科学家们对海洋生物的生物机理了解不够透彻，学科交叉不够成功。其次，当前机器人多采用刚性结构，这固然有着运动精确的优点，但结构的刚性使其环境适应性较差，在狭窄空间内的运动受到限制，无法通过尺度小于机器人尺度或形状复杂的通道，并且，刚性结构也难以适应深海水压变化。（如表一）第三，现代仿生材料已经发展到了较高的阶段，具有最合理的宏观、微观结构，并具有自适应性和自愈合能力。在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的然而对于水下机器人的研究工作并没有很好地应用这些成果。第四，现有的仿生驱动方式以机电驱动为主，相较于生物凭借微量化学物质就能转化出巨大能量来讲，
20、能量转换效率上难以望其项背。表一：各种机器人特性比较63.3 驱动以及推进方式刚性机体结合简单形变柔性胸鳍，对仿生原型的机体结构，尤其是胸鳍的结构，进行了大量的简化。仅保留其摆动运动特征，而忽略其复杂的构型，实现功能仿生。样机采用刚性的中部机体，以膜状或板状柔性材料构成胸鳍鳍面，胸鳍一般采用刚性或柔性鳍条作为加强肋，并起到驱动作用。典型样机为 2004 年日本科研工作者 IMAE 所开发，这也是首台能够实现水下自由游动的采用胸鳍摆动推进模式的仿生鱼。样机如图 7 所示，其胸鳍采用柔性乙烯树脂薄膜，鳍骨为淬火钢带，以刚性双四杆机构驱动胸鳍前缘带动胸鳍鳍面实现摆动运动。样机长 0.65 m，展宽
21、0.5 m，质量 0.64 kg，利用尾部的方向舵控制样机的运动方向。下潜深度 1.5 m 左右，一次充电可续航 0.5 h，防水性能良好。全速游动速度比人的步行速度稍慢，约为 0.6 m/s。7图 7 首台胸鳍摆动推进仿生鱼全柔性机体指仿生样机制作采用柔性材料制样机机体。全柔性机体制作根据胸鳍摆动推进的变形需求和仿生原型的构型特点，对机体的柔性分布进行设计，样机设计接近功能仿生与形态仿生相结合。样机实现水下自由运动较为困难，但能够更加有效地探究仿生原型特有的结构特征对仿生推进性能的影响。典型样机为由日本大阪大学 SUZUMORI 等 89 浇筑制作的 Manta Robot，如图 9 所示。
22、2005 年开始，SUZUMORI 等对比研究了对称刚度胸鳍与非对称刚度胸鳍在推进力以及推进效率方面的区别。在对被动柔性胸鳍和主动柔性胸鳍深入研究的基础上，于 2007 年成功设计了气动橡胶空腔致动器，原理应用于水下仿生机器人的制作。之后，以硅橡胶为基材浇筑制作了气动空腔驱动的 Manta Robot。样机采用外置气源驱动，长 0.15 m，翼展 0.17 m，最大游动速度 0.1 m/s，能够实现非常类似于蝠鲼的胸鳍摆动运动。该样机驱动源外置，且没有负载空间，不利于自主控制和远距离航行。(1) 功能仿生为主。 (2) 刚性机构。现有采用胸鳍摆动推进模式仿生鱼样机的驱动、传动机构多是刚性并且分离的，无法产生整体渐变的柔性变形，造成胸鳍运动过程的柔顺性不足。(3) 传统驱动器。除个别采用记忆合金或者气动人工肌肉驱动外，传统的电动机仍作为胸鳍摆动推进仿生鱼样机主要应用的驱动器(4) 控制方式。有缆控制和无线遥控作为主要的控制方式，限制了仿生样机的可控运动范围。并且，受限于水下的复杂环境，采用多传感器融合的水下自主游动尚不稳定。
