基于模塊化技術理念下水下機器人的設計與發展

余爾標 陳小薈

【摘 ?要】水下機器人作為第二代機器人，是仿生機器人的重要分支之一，其作用主要是用來水下勘探、作業以及輔助船只的正常行駛，隨著5G通信技術以及智能化的發展，水下機器人的協調性得到了極大的提高。為了擴大水下機器人在商業中的應用以及理論知識的升值化，模塊化的設計技術理念開始出現，模塊技術的應用將使水下機器人的應用領域擴大，水下機器人的協作性得到提高。

【關鍵詞】模塊化技術理念;水下機器人;發展前景

一、水下機器人的設計與應用

水下機器人又稱為無人遙控潛水器，從應用的領域以及智能化程度來說有兩種使用方法，其一是跟隨母船且帶有纜繩，船上的工作人員可根據數字化的設備對水下機器人進行遠程控制，其二是不依靠母船，可以自行航行和數據的采集。目前，我國可以進行水下機器人設計的單位較多，其中多集中于高校，在我國擁有實質性進展的有哈爾濱工程大學研制的智能水下機器人AUV，中科院沈陽自動化所研制的無人無纜水下機器人UUV，上海交通大學研制的遙控式水下機器人ROV 和中船重工715 所研制的拖曳式水下機器人TUV。

隨著科技化的發展，5G通信系統的應用使得水下機器人的遠程協作性得到極大的發展，

在未引入5G通信系統之時，如遇深海等惡劣環境下，水下機器人容易和陸地上的電子設備失去聯系，屆時導致的數據無法實時傳輸，以及無法定期維修成為了較大的難題，5G通信系統出現之后，水下機器人的遠程協作得到了極大的發展，并且可以實現機器人之間的協同作業，提高水下作業的效率。

從生物學角度來說，人類對于生存環境具有一定的要求，對于一些高風險性的工作環境，比如海洋、氣象勘探來說，就需要機器人的參與。例如，中科院研究出一種仿生的機器魚，這種機器魚依靠尾鰭和波動鰭來進行推進，速度快，且能進行急轉彎運動，靈活性高。同時，哈爾濱工程大學曾為水下勘探研究出一種兩棲的機器人，這種兩棲的仿生機器人外形酷似螃蟹，且可以如同螃蟹一般進行運動，該仿生機器進行了特殊的防水處理，在頭部安裝了一個攝像頭，可以對眼前的場景進行實時拍攝同時依托于5G通信技術，對這些搜集的數據進行實時的傳回，從而方便后期的分析與研究。

中興通訊將在英國倫敦召開的2017年5G全球峰會上，演示過5G以及 VR水下航行器遠程控制業務。演示將模擬近海區域海底科考及維修等水下場景，通過VR實時視頻傳輸和遠程無線控制，展示水下科考和水下無人作業等5G時代的突破性應用。

二、模塊化技術理念的應用

1、功能模塊的分類

水下機器人起初用于科學上的研究，但是隨著工業的發展，水下機器人逐漸商業化，并且為了符合商業化的運作趨勢，逐漸演化出了一種模塊化的設計生產理念，所謂的模塊化的設計生產理念就是將水下機器人的生產進行分割，基于這種新型的生產方式，模塊化生產下各個模塊之間形成獨立，每個模塊均有自己的功能，客戶可根據自己的需求進行各個模塊的選擇，其二，模塊化生產具有統一化的生產方式，即生產出來的配件可以供多家使用和配備。其三，模塊化的生產可以進行自由的組裝，組裝后水下機器人可以完成自由化的數據勘測。

所謂的水下控制系統主要是服務于水下機器人的數據讀取，由處理器產生控制信號，在進行數據的合理搜集后，再對數據進行分析，從技術要求上，如果水下機器人的需求較高或者水下機器人的負荷率較大，則中央處理器的要求較大。從模塊化技術理念的功能上來講，主要分為通用性以及專用性，所謂的通用性是指為了適應大部分水下機器人的組裝以及使用提供的部分常用的模塊，比如水下鏡頭，閥門等模塊，這些模塊在生產時主要考慮的問題就是廣泛的適配性，但是作為適配性的設備其生產的機構主要集中于企業。所謂的專用性就是針對不同的用途而研發出來的水下機器人硬件，生產這些模塊的主要集中于科研院所，通過與客戶之間的溝通定制出特質的部分，但是專用性的模塊并不等于一個完整的水下機器人都需要定制，專用性的模塊也是建立于通用性之上。

2、硬件的模塊設計

水下機器人的硬件模塊主要分為以下幾種類型，其一是AI、DI模塊，基于這兩種模塊，主要是對外部信息進行搜集，以用于海底勘探為作用的水下機器人來講，AI、DI模塊通過中央處理器對于控制系統命令的下達對機器人周邊的水溫、水壓、生物族群以及數量進行數據的搜集和監測。其二是AO、DO模塊，這些模塊又稱為上位機模塊，這些模塊主要控制的是機器人的控制系統例如門閥。

三、基于模塊設計理念下水下機器人的發展

1、協同化發展

隨著科學技術的發展，水下機器人在機身結構上呈現出微型化，即傳感器、控制器，傳輸裝置實現了微型化，在其應用的技術上呈現出不斷人性化、智能化的趨勢，模塊化的生產方式使得水下機器人的協作性得以提高同時在控制系統上，5G通信系統以及相關技術的使用使得水下機器人可以協同作業。

2、產業化、集群化發展

水下機器人由于具有抗壓性以及高適應性從生理角度上較之人類更有優越性，所以，模塊化的生產有利于水下機器人產業的出現，同時模塊化的生產可以對生產流程進行分類，一種水下機器人可以在多個機構進行生產促進其集群化發展。

3、智能化發展

隨著模塊化生產的專業性增強，中央處理器等控制設備逐漸完善，對于高清的數據收集來說已經并不是難事，未來的水下機器人將依托于VR以及智能化的芯片設計實現數據從手機到分析的一體化，節約科研的成本。

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（作者單位：福州市閩江學院物理與電子信息工程學院）