水下机器人的三种运动方式及发展历程

水下机器人诞生于20世纪50年代初，由于所涉及的新技术在当时还不够成熟，同时电子设备的故障率高、通信的匹配以及起吊回收等问题也未能很好解决，因此发展不快，没有受到人们的重视。到了20世纪60年代，国际上兴起两大开发技术，即宇宙开发技术和海洋开发技术，促使远距离操纵型机器人得到了很快的发展。在近几十年，由于海洋开发与军事上的需要，同时水下机器人本体所需的各种材料及技术问题也已得到了较好的解决，因而水下机器人得到了很大发展，开发出了一批能工作在不同深度，并进行多种作业的机器人。这些水下机器人可用于石油开采、海底矿藏调查、救捞作业、管道铺设和检查、电缆铺设和检查、海上养殖、江河水库的大坝检查及军事等领域。随着开发海洋的需要及技术的进步，适应各种需要的水下机器人将会得到更大的发展。

与载人水下机器人相比，水下机器人具有以下优点：

1）水下连续作业持续时间长。

2）由于无需生命维持保障设备，可以小型化。

3）对人没有危险性。

4）机动性较大。

5）在许多场合下，对气候条件的依赖性较小。

6）制造和使用成本较低。

7）能在非专用船上使用。

在海洋工程界，水下机器人通常称为潜水器（Underwater Vehicles）。《机器人学国际百科全书》将水下机器人分成6类，有缆浮游式水下机器人、拖曳式水下机器人、海底爬行式水下机器人、附着结构式水下机器人、无缆水下机器人、混合型水下机器人。

水下机器人也可分为有人水下机器人和无人水下机器人。

此外，按使用的目的分，有水下调查机器人（观测、测量、试验材料的收集等）和水下作业机器人（水下焊接、拧管子、水下建筑、水下切割等作业）；按活动场所分，有海底机器人和水中机器人。按其在水中运动的方式，可分为浮游式水下机器人、步行式机器人、移动式水下机器人。

大多数水下机器人都是浮游式的，具有较大的机动性，但要求它具有近似中性的浮力，因此设计时应把机器人各系统元部件重量最小的标准作为主要条件，并需要对机器人接受的试样和物体重量的变化进行补偿。

目前，步行式水下机器人还没有达到实用的程度，尚处于研制阶段。其优点是在复杂的海底地形条件下有较好的通行能力和机动性，并具有较高的稳定性；缺点是在海底移动时，会使水层和海底严重扰动。

移动式水下机器人可以采用履带式和车轮式行进机构，但其通行能力和机动性比步行式机器人要差些，会更严重地引起海底水层和泥土扰动。

按供电方式可分为有缆水下机器人和无缆水下机器人。有缆水下机器人有一动力电缆作为供电通道，供电不受限制，可长期在水下工作，并具有十分可靠的通信通道，但电缆在水下会受到水动力干扰，且电缆长度有限，因而作业空间受到限制。无缆水下机器人装有机载电源，一般是蓄电池，由于没有电缆，活动空间大，并可沿任意给定轨迹运动。

随着近年来对海洋的考察和开发，水下机器人应用广泛，发展之迅速出乎人们的意料。可以预计，人类研究和开发海洋所投入的技术力量，将与发展宇航事业的技术力量并驾齐驱。用新技术装备起来的水下机器人将在其中起决定作用，它将广泛用于海洋科学考察、水下工程（包括探矿、采矿）、打捞救助和军事活动等作业。

目前，得到广泛应用的主要有拖曳式、有缆式（ROV）和无缆自治式（AUV）水下机器人。水下机器人从1974年建造的20多套，到1991年开发出大、中、小不同潜深，有、无缆，功能各异，用于军民方面的总数已超过一万套，足见其发展之迅猛，应用之广泛。

1934年，美国研制出下潜934m的载人水下机器人；1953年，又研制出无人有缆遥控水下机器人。其后的发展大致经历了三个阶段。

（1）第一阶段1953～1974年为第一阶段，主要进行水下机器人的研制和早期开发工作，先后研制出20多个水下机器人。

（2）第二阶段1975～1985年是遥控水下机器人大发展时期。随着海洋石油和天然气开发的需要，推动了水下机器人理论和应用的研究，水下机器人的数量和种类都有显著的增长。载人水下机器人和无人遥控水下机器人（包括有缆遥控水下机器人、水底爬行水下机器人、拖航水下机器人、无缆水下机器人）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。

（3）第三阶段1985年后，水下机器人进入一个新的发展时期。20世纪80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出“海人”1号（HR-1）水下机器人，并成功地进行了水下试验。

1.水下机器人结构

水下机器人由3个主要系统组成：执行系统、传感系统和计算机控制系统。

执行系统包括机器人主动作用于周围介质的各种装置，如在水中运动的装置、作业执行装置——机械手、岩心采样器和水样采样器等。

水下机器人的传感系统是用来搜集有关外界和系统工作全面信息的“感觉器官”。通过机器人这种传感系统，在与周围环境进行信息交互的过程中，便可建立外部世界的内部模型。

水下机器人的计算机控制系统是处理和分析内部和外部各种信息的设备综合系统，根据这些信息形成对执行系统的控制功能。水下机器人在工作时，不管其独立性如何，都必须与操作者保持通信联系。

（1）水下机器人载体外形特点和形状的选择 水下机器人的大小各不相同，最小的只有几千克，最大的则有几十吨（用于海底管线和通信电缆埋设的爬行式水下机器人）。大多数水下机器人具有长方体外形的开放式金属框架，框架大多采用铝型材，如图5-2所示。这种框架可以起围护、支承和保护水下机器人部件（推进器、接线盒、摄像机、照明灯等）的作用。框架的构件通常采用矩形型材，以便于安装。与开放式金属框架不同的另一种结构形式是载体框架完全用玻璃纤维或金属蒙皮所包围组成流线体，这种水下机器人载体有鱼雷形（见图5-3）、盘形或球形。

图5-2 框架式外形水下机器人

图5-3 鱼雷形水下机器人

图5-4 采用螺旋桨推进的水下机器人

（2）推进模式 除个别水下机器人采用喷水推进外，大多浮游式水下机器人采用螺旋桨推进（见图5-4）。一般在螺旋桨外还加导管，以保证在高滑脱情况下提高推力。推进器驱动方式一般有电动机驱动和液压驱动两种，小型有缆式水下机器人和无缆自治式水下机器人多采用电动机驱动，大功率、作业型水下机器人推进器通常采用液压驱动。水下机器人要实现水下空间的6自由度运动，即3个平移运动（推进、升沉、横移）和3个回转运动（转首、纵倾、横摇）。

（3）密封及耐压壳体结构 水下机器人密闭容器如电子舱通常采用常压封装，相对于环境压力的密封通常采用O形圈密封。与陆地密封条件不同的是水下密封为外压密封，在设计中要特殊考虑。压力补偿技术是水下机器人常用的耐压密封技术。水下机器人设备（如液压系统、分线盒）内部充满介质（液压油、变压器油、硅脂等），另设一个带有弹簧的补偿器与设备舱体用一个管路连接。补偿器的外部与水连通，内部压力始终高于外部压力，可使水下容器的密封和耐压变得简单可靠，且重量轻。

浮游式水下机器人采用浮力材料来为载体提供浮力，以保证水下的灵活运动。浮力材料通常采用高分子复合材料（树脂发泡或玻璃微珠）。浮力材料要求密度小、耐压强度高、变形小、吸水率小。

考虑到流体运动的阻力、重量与排水量的比例等因素，水下机器人耐压壳体的形状大致有以下几种：球形、椭圆形和圆筒形。其各自的优缺点见表5-1。

表5-1 各种水下机器人耐压壳体的优缺点

由于在遥控水下机器人中需要放置摄像仪器及其传动装置、深度计、罗盘、电路板等仪器，并综合考虑流体阻力等因素，选取圆筒形的耐压壳体作为整体的结构最为合理。为了加强在水下的抗压能力，在轴向和径向均有数道加强肋。耐压壳体材料有金属和非金属两类。

（4）水下机器人观测、照明布置 主要是摄像仪器及照明设备的布置。摄像是整个设备的核心，是作业人员获取信息与控制水下机器人的重要依据。照明是辅助摄像的设备，照明质量的好坏直接影响摄像的质量，因此采用发光强度高、穿透能力强的卤素灯作为高质量摄像的保障。

摄像装置一般放在整个装置的最前端，这样放置的理由有两个：一是便于观察，能够及时对勘探现场进行实时控制；二是便于整体结构的平衡，由于推进电动机在整个装置的尾部，需要有一定的重力使其在水中平衡。

2.水下机器人的驱动

（1）电力 目前，自治水下机器人通常采用铅酸或银铅充电电池，水下机器人的水下作业时间只有几小时，不能满足长时间连续航行的要求。锂钴二氧化物、铝锌氧化物和铅氢过氧化物为新型的充电电池，其能量密度为银锌电池的3～10倍。使用这种新型电池，能使自治水下机器人的作业时间达48h，因而是候选能源系统。

目前，燃料电池和热功发电机可供自治水下机器人作业数天，通过不断的研制，有望为自治水下机器人提供数周作业时间所需的能源，是自治水下机器人比较理想的能源系统。

电力应用虽然在水下环境中有缺点，但大多数的现代水下机器人都是靠电力或液压系统推进驱动的。蓄电池是载人水下机器人和无人无缆水下机器人的主要动力源，而带缆水下机器人则由水面电源供电。大部分无人水下机器人的动力源都使用铅酸、镍铬或银锌电池。

（2）电动机 尽管在水下普通电动机的使用受到限制，但采取一定的保护措施，经过改装或专门的设计，电动机仍广泛应用于水下机器人。事实上，绝大多数水下机器人（载人的或无人的，带缆的或无缆的）推进都是以电动机作为动力源的。电动机与推进装置的连接可以直接通过回转轴，也可以间接通过液压泵、磁性连接轴等。

可供选择的电动机电流形式有直流和交流两种。一般地，大多数以蓄电池组为电源的自治水下机器人采用直流电动机。

置于舷外海水中的推进（推力）器用的电动机有三种基本形式：敞开式、压力补偿式和封闭式。(www.xing528.com)

（3）水下机器人的动力系统 水下机器人的电能供给方法，在很大程度上取决于水下机器人的类型。

目前，水下机器人有以下三种供电方式：独立的机载电源、通过电缆远程供电、综合供电。

1）独立的机载电源用于无缆水下装置，有时也用于拖曳式水下装置。通常都采用蓄电池（酸性电池、银锌电池、碱性电池）作电源。

2）通过电缆远程供电用于拖曳式和遥控式水下作业装置，一般都是沿电缆的动力芯线将电能输送给水下作业装置。根据电缆的长度选择母船供给的电压值。通常采用交流电源，经过变压、整流再送到水下机器人里。

3）采用综合供电方式时，母船通过同轴电缆与水下机器人联系。在母船和水下机器人之间，直接靠近机器人处，安装有一个特殊的动力锚。通过这种装置，可完成下述动作：在海底定点、消除海面波浪对水下机器人的影响、消除主电缆对水下机器人的影响。此外，还可以在动力锚上安装蓄电池或者其他所需功率的电源，这样可以大大减少电缆传输的电功率。

3.水下机器人的导航与定位系统

水面船舶的导航发展成一门独立的学科，但是这种导航是二维导航，或称为平面导航。军用潜艇的出现，并没有从根本上改变这种平面导航的概念。这是因为目前潜艇的活动深度不大，最大也只有500m，这实际上只活动在海洋容积的2%之内。由于水下机器人征服了所有的海洋深度，可以活动在任何海域，因此水下机器人的导航是一种三维的立体导航。

由于目前的水下机器人活动大多依赖于母船，同时受水下机器人自身尺寸和重量的限制，因此可以把水下机器人的导航分为水面导航和水下导航两部分。前者通常由水面母船来完成，即确定母船相对于地球坐标的位置，而后者则往往是相对于水面母船而言，将母船作为一个水面方位点来确定水下机器人的水下相对位置。水下机器人的水下导航概念又大致可以分解为大面积搜索和小面积定位两个方面。

对于深海导航，几种常规导航方法基本上都不理想。电磁波在海水中的衰减十分迅速， 0kHz的电磁波每米衰减达3dB，这使所有无线电导航和雷达都无法在深海使用。因此，通常水下机器人有效的定位方法是航位推算法和声学方法。

航位推算法是根据已知的航位以及水下机器人的航向、速度、时间和漂移来推算出新的航位。它是根据水中某些静止的固定目标来进行推算的，它的推算需要测得水下机器人的航向和速度。由于目前水下机器人测定航向的装置主要是方向陀螺和电罗经，而且测定速度的仪器有较大的误差，并受到水流等因素的影响，所以航位的推算不可能非常精确，实际上这是一种近似的方法，如有可能，应随时加以修正。为了在海底精确导航，最好的方法是以海底作为基准面来测量航速。实现这点的最简单而经济的方法是拖轮里程表法。另外，多普勒声呐是目前水下机器人最有效的一种测速方法。如图5-5所示为水下机器人用的多普勒导航声呐原理图。

图5-5 水下机器人用的多普勒导航声呐原理图

水下机器人的导航定位最常见的是利用水声设备来完成。过去作战潜艇用的“主动式声呐”，可以利用目标的反射来确定它相对于主动式声呐的方位和距离。由于水下机器人实际上是一只金属的耐压球，因此它是一个很好的声波反射器。如果利用母船上安装的“主动式声呐”，也可以测到水下机器人的相对位置，并对水下机器人进行跟踪。这种“主动式声呐”中性能比较好的都往往由军事部门控制，所以这种系统并没有在水下机器人导航上获得更多的应用。

短基线系统是确定水下机器人相对于辅助母船位置的最精确的系统。在精确水面定位系统的配合下，该系统可提供相当精确的地理坐标和很高的再现性。短基线系统的原理如图5-6所示。

图5-6 短基线系统的原理

4.终端导航装备

水下机器人执行各种各样的任务，必须要以某种方式去触及目标。在这之前，水下机器人的导航系统只能把水下机器人引导到目标附近，而这两者之间还需要有一个桥梁，这就是终端导航。水下机器人目前最常用的终端导航设备是声成像声呐、水下电视和带水下照明的观察窗。如图5-7所示为英国Tritech公司推出的Gemi-ni多束海底成像声呐。

5.水下机器人的作业执行系统

近年来，随着海洋事业的发展，水下机器人得到了广泛的应用。但水下机器人本身仅是一种运载工具，如进行水下作业，则必须携带水下作业工具。可以说，水下作业系统是水下机器人工作系统的核心，没有它，水下机器人充其量只是个观察台架而已。因此，水下机器人的作业系统从20世纪50年代末期第一次应用于CURV-1水下机器人时起，便与水下机器人一起得以迅速发展。特别是近10年来军事方面的用途和海洋石油开发，进一步促进了作业系统的发展。携带水下作业系统使水下机器人扩大了使用范围，增强了实用性。现有水下机器人的作业系统包括1～2个多功能遥控机械手和各种水下作业工具包。如英国石油公司利用机械手切割海底石油管，用以堵住海平面下1000多米深处的漏油管道，如图5-8所示。

图5-7 Gemini多束海底成像声呐

图5-8 英国石油公司利用机械手切割海底石油管

6.水下机器人实例

（1）国外水下机器人 美国SeaBotix公司研制的LBV 150型有缆式水下机器人如图5-9所示，在空气中重量为1014kg，最大下潜深度为150m，有2700扫描声呐，2个摄像头，测深器工作水深50m。另一种相似的LBV 300型有缆式水下机器人如图5-10所示，在空气中重量为1316kg，工作水深100m，主要用在浅水港湾警视、监视，还可对堤坝进行质量和安全性检测。目前，该机器人产品已进入市场。

图5-9 LBV 150型有缆式水下机器人

图5-10 LBV 300型有缆式水下机器人

日本研制的MARCAS-2500型履带式海底行走机器人（见图5-11）可在水下2500m的海域实施各种作业：埋设或挖出电缆上的障碍物、探测海底电缆的故障点、切断或回收海底电缆、勘测海底等。

图5-11 MARCAS-2500型海底行走机器人

（2）中国水下机器人 我国从20世纪70年代开始较大规模地开展水下机器人研制工作，先后研制成功以援潜救生为主的7103艇（有缆有人）、Ⅰ型救生艇（有缆有人）、QSZ单人常压水下机器人（有缆有人）、8A4遥控水下机器人（有缆无人）和军民两用的HR-01遥控水下机器人、RECON IV遥控水下机器人及CR-01自治水下机器人（见图5-12）等，使我国水下机器人研制达到国际先进水平。

图5-12 CR-01自治水下机器人

作为我国863计划重大专项，由中国船舶重工集团公司702研究所研制成功的7000m水下机器人长8m、高3.4m、宽3m，如图5-13所示。该水下机器人由特殊的钛合金材料制成，在7000m的深海能承受710t的重压；运用了当前世界上最先进的高新技术，实现载体性能和作业要求的一体化；与世界上现有的载人水下机器人相比，具有7000m的最大工作深度和悬停定位能力，可到达世界99.8%的海底。

沈阳自动化研究所在国内首次提出深海潜水机器人（ARV）概念。深海潜水机器人是一种集自治水下机器人（AUV）和遥控水下机器人（ROV）技术特点于一身的新概念水下机器人（见图5-14）。它具有开放式、模块化、可重构的体系结构和多种控制方式（自主/半自主/遥控），自带能源并携带光纤微缆，既可以通过预编程方式自主作业（AUV模式），进行大范围的水下调查，也可以遥控操作（ROV模式），进行小范围精确调查和作业。深海潜水机器人参加了国家第三次北极科学考察（见图5-15）。

“北极深海潜水机器人”自带能源，可通过微光缆与水面支持系统相连接。由于采用了“鱼雷体”和“框架体”相结合的流线式外形，它不仅可以发挥“框架体”遥控水下机器人的优势，在海中悬停并进行定点精确观测，也可以发挥“鱼雷体”自主水下机器人的特长，灵活方便地在一定范围水域里进行测量，获取更为全面的实时观测数据。

图5-13 7000m水下机器人

尽管体重达350kg，这一“彪形大汉”却不会在海中沉没。由于身穿可产生浮力的木质“外衣”，“北极深海潜水机器人”可以在北极冰下100m以内的水域悬停，并可进行作业半径达3km的水下航行。

“北极深海潜水机器人”由航行控制系统、导航系统、推进系统等构成，是一个可以搭载科学考察所需要的冰下声学、光学等测量仪器的水下运动平台，以获取冰底形态、海冰厚度及不同深度的海水盐度、温度等水文参数。

由于北极地区海况特殊，同步获取冰下多种观测数据较为困难，专门针对北极海况设计制造的“北极深海潜水机器人”将把现有的点线式冰下观测手段提升至三维立体模式，从而为海洋科研提供一种全新的协同观测技术手段。

图5-14 北极深海潜水机器人

图5-15 深海潜水机器人参加第三次北极科学考察