水下作業型機械手的關鍵技術及發展趨勢研究

雷歌

摘 要：水下機械手可以協助水下HOV、ROV、AUV完成海洋中的勘察、鉆探、搬運等工作，為探索海洋，開發海洋提供支持。文章主要通過介紹國內外典型水下機械手的實例，分析了水下機械手的發展現狀和關鍵技術，并對未來水下作業機械手發展趨勢做出展望。

關鍵詞：水下機械手；水下作業；關鍵技術；發展趨勢

中圖分類號：TH136 文獻識別碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0129-03

Abstract： Underwater manipulator can assist underwater HOV， ROV， AUV to complete the exploration， drilling， transportation and other work in the ocean， and provide support for exploring and developing the ocean. This paper mainly introduces the examples of typical underwater manipulator at home and abroad， analyzes the development status and key technology of underwater manipulator， and makes a prospect on the development trend of underwater manipulator in the future.

Keywords： underwater manipulator； underwater operation； key technology； development trend

引言

海底資源的探索、發掘與開采都離不開水下作業工具，隨著國際競爭日趨從陸地過渡到深海，海洋已逐漸成為世界各國利益爭奪的主要戰場，各種水下作業工具應運而生[1]。水下作業工具的主要功能“作業功能”的實現離不開水下機械手的配合。而搭載著各種專業水下機械手的水下機器人可以完成例如采樣，捕捉，挖掘等工作。本文通過介紹國內外典型水下機械手的實例，對水下機械手的發展現狀和關鍵技術進行分析，并對未來水下作業機械手發展趨勢做出展望。

1 水下機械手發展現狀

美國在上世紀60年代首先研制出深海載人潛水器 “阿爾文”號，開創了人類探測海洋資源的歷史。它在海洋4500米的深度中可以進行科學考察，尤其針對海底的資源，例如礦流，可采取非常精準的取樣。它的水下作業系統是由美國NOSC公司主持研制的WSP機械手，此水下機械手的綜合水平在現在來說都是比較成功和具有典型性的。它設計為三只機械手，其中兩只機械手主要實現抓握功能，另一只機械手設計為靈巧的作業機械手。此航行器作業時可直接在水下自動更換工具而不需要返回水面[2]。

1989年，日本制造出了名為“深海 6500”的深海載人潛水器，此水下作業裝置的下潛深度可以達到水深 6500 米。工作人員可以利用它裝載的水下機械手配合其攜帶的可旋轉采樣籃進行取樣作業[3]。圖1為“深海6500”載人潛水器搭載的水下作業機械手。

我國的水下作業工具起步雖然比較晚，但是發展迅速，從最初的用于海洋觀察為主的功能已漸漸過渡到水下作業功能。2012年，我國自主研制的“蛟龍”號在馬里亞納海溝開展7000米級載人深潛試驗。在一次下潛時抵達7062米深度，打破了世界上同類作業型航行器下潛的最大深度?！膀札垺碧枬撍魃吓渲玫娜髮Ｓ米鳂I工具，包括沉積物取樣器、熱液取樣器和鈷結殼取芯器以及一套功能強、機動性好的機械手。圖2為“蛟龍”號的機械手在深海海底插國旗。隨著我國“蛟龍”號的成功下潛，我國的水下航行器取得了舉世矚目的成就， 經過不斷的更新和完善， 我國的水下作業工具已逐漸趕上發達國家的步伐。蛟龍號的水下機械手大大縮短了我國與國際間在水下作業方面的差距。

2 關鍵技術研究

隨著海洋航行器技術的不斷發展，其搭載的水下作業工具日趨先進，可以完成相當復雜的水下任務?？梢詫崿F水下考查任務、水下石油的開采、海底管道鋪設和維修、海洋搶險救援、海洋工程建設等任務，對水下機械手提出了不同的要求。

2.1 計算機技術的應用

隨著計算機技術及仿真軟件的發展，虛擬樣機技術和流體計算技術在機械本體設計、選材以及預試驗方面起到越來越重要的作用。虛擬樣機技術通過在計算機上建立機械產品的三維實體模型和力學模型，可以檢查設計產品各部件的干涉情況和運動情況，從而為物理樣機的設計和制造提供依據[4]。

應用虛擬樣機技術，設計人員可直接利用軟件所提供的各零件的幾何信息，在軟件上創建各部件的幾何模型。對各部件進行虛擬裝配，建立各部件間的約束關系，從而獲得機械系統的物理模型，這樣就可以在不同虛擬環境中模擬零部件的運動，得到在各種工作情況下零部件的運動和受力情況。這樣就可以應用計算機軟件校正設計缺陷，并通過對比不同試驗條件下的受力情況，優化設計方案，改進物理模型。

流體計算軟件為水下實驗提供了一個虛擬計算平臺。應用流體計算技術可以進行對物理模型而言難以進行或根本無法進行的試驗，可以仿真計算水下機械手在不同水深下，不同流速下的運動和受力情況。為后續實驗和材料選擇提供了重要參考。

2.2 多傳感融合技術

水下機械手對外界環境和水下目標的感知主要依靠各種傳感器。對外界環境信息例如水下流速信息，溫度信息，受力信息的采集主要依靠流速計，測溫計和各種壓力傳感器等。而對水下目標的感知主要依靠聲吶設備，因為在水下傳遞信息不同于水上，水上通信主要采用電磁波，而海水對電磁波的吸收很大，所以水下通信主要依靠聲波。為滿足多種作業需要， 一般需要配備多種專業傳感器，以獲得環境的各種信息，來滿足探測和采集等的需要[5]。而怎樣把多個傳感器采集的信息進行整合應用，消除信息間的冗余和矛盾，降低不確定性，形成對所在環境完整統一的感知，對提高水下機械手正確反應、決策和規劃具有至關重要的意義。

2.3 運動控制技術

水下機械手的工作環境復雜，工作任務多樣，對水下機械手的運動控制和作業規劃是其完成作業任務的基本前提和保障。水下機械手所在的環境水動力系數不確定、運動慣性相對較大，且受到海浪、湍流等隨機干擾，所以對水下機械手進行精確控制是不容易的。因為機械手的力學模型具有復雜的強耦合性和非線性的特點，所以，良好的建模方法、控制算法成為水下機械手研究的關鍵技術。

3 未來發展趨勢

當下，水下機械手要想達到自主作業，實現更多更強的功能，就必須在人工智能領域、自動控制技術、傳感器融合技術等方面進行突破。

3.1 高度智能化

因為海洋這一工作環境的特殊性，水下機械手的作業難度提高了很多。促使開發操作靈活、反應迅速、感知外界變化能力強、自動化程度高、自適應能力強的水下機械手迫在眉睫。

未來的水下機械手應該設計為具有模塊化功能，每完成一項任務就可以自動更換機械手，來繼續下一項任務。那么每個機械手都應具備專業的局部自治能力以及專項的信息獲取和獨立的信息處理方法[6]。根據功能和位置合理配置傳感器，采用信息融合技術為控制策略提供科學的依據?；谌蝿盏乃聶C械手還可根據任務自動更換作業工具，高度智能化的水下機械手必然是未來的發展趨勢。

3.2 挑戰全海深

探測更深的海底，不但可以為深?？蒲刑峁┓眨€可以為潛水器本身續航和大功率工作提供幫助。例如，在海底布放電纜可以為潛水器或其他水下裝置提供充電支持。為了打破國外的壟斷地位，我國打算自己研制萬米級機械手，目前，全新一代的機械手已經完成測試。我們知道，在水中每增加10米就相當于一個大氣壓，要在一萬米深的海底就相當于1000個大氣壓，這對于機械手材料的耐壓性提出了相當高的要求。并且在深海要實現正常工作，控制電路部分的密封性必須高度可靠。全海深水下機械手的設計必然是今后發展的趨勢之一。

3.3 精細化程度高

我國自己研制萬米級機械手最初研制出來有一個缺點就是手抖，科研人員在控制系統猛下功夫，這個機械手里的兩個核心部分，一是肘擺的關節，另一個是腕轉的關節。

在千米級至萬米級的深海中，水下機械手首先要耐得住壓力，還要進行精密操作，這些要求給科研人員帶來了新的挑戰。常規的液壓油在海底將變得粘稠，導致機械手運動緩慢且精度不高，科研人員要避免使用這些常規的液壓油，采用一種全新的液壓油以及通油管路，讓機械手能夠在海底流暢操作，自由活動。當然，精細化程度的提高還有依賴與其他控制技術、防抖技術、裝配技術等的整體升級。

4 結束語

本文主要介紹了水下機械手的發展現狀和關鍵技術，并對未來水下作業機械手發展趨勢做出展望。未來水下機械手將會擴展其作業范圍、 提高自動化程度以及高精細化領域取得進展，在海洋資源開發利用、大洋勘探、海洋救助、水下工程等領域發揮更大的作用。

參考文獻：

[1]王璇，劉濤，高波.水下機械手的研發現狀及發展趨勢[J].機電產品開發與創新，2012，25（3）：25-29.

[2]張敏.水下機械手設計及仿真研究[D].西安：西北工業大學，2005.

[3]楊農林，茅及愚，向忠祥.國外水下作業機械手的特點及發展趨勢[J].海洋科學，1990，6.

[4]張銘均.水下機器人[M].北京：海洋出版社，2000.

[5]薛利梅.水下機械手信息融合及作業規劃研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

[6]張棟翔.水下智能機械手的光視覺信息獲取與處理[D].合肥：中國科學技術大學，2009.