水下作业型机械手的关键技术及发展趋势研究

雷歌

摘 要：水下机械手可以协助水下HOV、ROV、AUV完成海洋中的勘察、钻探、搬运等工作，为探索海洋，开发海洋提供支持。文章主要通过介绍国内外典型水下机械手的实例，分析了水下机械手的发展现状和关键技术，并对未来水下作业机械手发展趋势做出展望。

关键词：水下机械手；水下作业；关键技术；发展趋势

中图分类号：TH136 文献识别码：A 文章编号：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

海底资源的探索、发掘与开采都离不开水下作业工具，随着国际竞争日趋从陆地过渡到深海，海洋已逐渐成为世界各国利益争夺的主要战场，各种水下作业工具应运而生[1]。水下作业工具的主要功能“作业功能”的实现离不开水下机械手的配合。而搭载着各种专业水下机械手的水下机器人可以完成例如采样，捕捉，挖掘等工作。本文通过介绍国内外典型水下机械手的实例，对水下机械手的发展现状和关键技术进行分析，并对未来水下作业机械手发展趋势做出展望。

1 水下机械手发展现状

美国在上世纪60年代首先研制出深海载人潜水器 “阿尔文”号，开创了人类探测海洋资源的历史。它在海洋4500米的深度中可以进行科学考察，尤其针对海底的资源，例如矿流，可采取非常精准的取样。它的水下作业系统是由美国NOSC公司主持研制的WSP机械手，此水下机械手的综合水平在现在来说都是比较成功和具有典型性的。它设计为三只机械手，其中两只机械手主要实现抓握功能，另一只机械手设计为灵巧的作业机械手。此航行器作业时可直接在水下自动更换工具而不需要返回水面[2]。

1989年，日本制造出了名为“深海 6500”的深海载人潜水器，此水下作业装置的下潜深度可以达到水深 6500 米。工作人员可以利用它装载的水下机械手配合其携带的可旋转采样篮进行取样作业[3]。图1为“深海6500”载人潜水器搭载的水下作业机械手。

我国的水下作业工具起步虽然比较晚，但是发展迅速，从最初的用于海洋观察为主的功能已渐渐过渡到水下作业功能。2012年，我国自主研制的“蛟龙”号在马里亚纳海沟开展7000米级载人深潜试验。在一次下潜时抵达7062米深度，打破了世界上同类作业型航行器下潜的最大深度。“蛟龙”号潜水器上配置的三大专用作业工具，包括沉积物取样器、热液取样器和钴结壳取芯器以及一套功能强、机动性好的机械手。图2为“蛟龙”号的机械手在深海海底插国旗。随着我国“蛟龙”号的成功下潜，我国的水下航行器取得了举世瞩目的成就， 经过不断的更新和完善， 我国的水下作业工具已逐渐赶上发达国家的步伐。蛟龙号的水下机械手大大缩短了我国与国际间在水下作业方面的差距。

2 关键技术研究

随着海洋航行器技术的不断发展，其搭载的水下作业工具日趋先进，可以完成相当复杂的水下任务。可以实现水下考查任务、水下石油的开采、海底管道铺设和维修、海洋抢险救援、海洋工程建设等任务，对水下机械手提出了不同的要求。

2.1 计算机技术的应用

随着计算机技术及仿真软件的发展，虚拟样机技术和流体计算技术在机械本体设计、选材以及预试验方面起到越来越重要的作用。虚拟样机技术通过在计算机上建立机械产品的三维实体模型和力学模型，可以检查设计产品各部件的干涉情况和运动情况，从而为物理样机的设计和制造提供依据[4]。

应用虚拟样机技术，设计人员可直接利用软件所提供的各零件的几何信息，在软件上创建各部件的几何模型。对各部件进行虚拟装配，建立各部件间的约束关系，从而获得机械系统的物理模型，这样就可以在不同虚拟环境中模拟零部件的运动，得到在各种工作情况下零部件的运动和受力情况。这样就可以应用计算机软件校正设计缺陷，并通过对比不同试验条件下的受力情况，优化设计方案，改进物理模型。

流体计算软件为水下实验提供了一个虚拟计算平台。应用流体计算技术可以进行对物理模型而言难以进行或根本无法进行的试验，可以仿真计算水下机械手在不同水深下，不同流速下的运动和受力情况。为后续实验和材料选择提供了重要参考。

2.2 多傳感融合技术

水下机械手对外界环境和水下目标的感知主要依靠各种传感器。对外界环境信息例如水下流速信息，温度信息，受力信息的采集主要依靠流速计，测温计和各种压力传感器等。而对水下目标的感知主要依靠声呐设备，因为在水下传递信息不同于水上，水上通信主要采用电磁波，而海水对电磁波的吸收很大，所以水下通信主要依靠声波。为满足多种作业需要， 一般需要配备多种专业传感器，以获得环境的各种信息，来满足探测和采集等的需要[5]。而怎样把多个传感器采集的信息进行整合应用，消除信息间的冗余和矛盾，降低不确定性，形成对所在环境完整统一的感知，对提高水下机械手正确反应、决策和规划具有至关重要的意义。

2.3 运动控制技术

水下机械手的工作环境复杂，工作任务多样，对水下机械手的运动控制和作业规划是其完成作业任务的基本前提和保障。水下机械手所在的环境水动力系数不确定、运动惯性相对较大，且受到海浪、湍流等随机干扰，所以对水下机械手进行精确控制是不容易的。因为机械手的力学模型具有复杂的强耦合性和非线性的特点，所以，良好的建模方法、控制算法成为水下机械手研究的关键技术。

3 未来发展趋势

当下，水下机械手要想达到自主作业，实现更多更强的功能，就必须在人工智能领域、自动控制技术、传感器融合技术等方面进行突破。

3.1 高度智能化

因为海洋这一工作环境的特殊性，水下机械手的作业难度提高了很多。促使开发操作灵活、反应迅速、感知外界变化能力强、自动化程度高、自适应能力强的水下机械手迫在眉睫。

未来的水下机械手应该设计为具有模块化功能，每完成一项任务就可以自动更换机械手，来继续下一项任务。那么每个机械手都应具备专业的局部自治能力以及专项的信息获取和独立的信息处理方法[6]。根据功能和位置合理配置传感器，采用信息融合技术为控制策略提供科学的依据。基于任务的水下机械手还可根据任务自动更换作业工具，高度智能化的水下机械手必然是未来的发展趋势。

3.2 挑战全海深

探测更深的海底，不但可以为深海科研提供服务，还可以为潜水器本身续航和大功率工作提供帮助。例如，在海底布放电缆可以为潜水器或其他水下装置提供充电支持。为了打破国外的垄断地位，我国打算自己研制万米级机械手，目前，全新一代的机械手已经完成测试。我们知道，在水中每增加10米就相当于一个大气压，要在一万米深的海底就相当于1000个大气压，这对于机械手材料的耐压性提出了相当高的要求。并且在深海要实现正常工作，控制电路部分的密封性必须高度可靠。全海深水下机械手的设计必然是今后发展的趋势之一。

3.3 精细化程度高

我国自己研制万米级机械手最初研制出来有一个缺点就是手抖，科研人员在控制系统猛下功夫，这个机械手里的两个核心部分，一是肘摆的关节，另一个是腕转的关节。

在千米级至万米级的深海中，水下机械手首先要耐得住压力，还要进行精密操作，这些要求给科研人员带来了新的挑战。常规的液压油在海底将变得粘稠，导致机械手运动缓慢且精度不高，科研人员要避免使用这些常规的液压油，采用一种全新的液压油以及通油管路，让机械手能够在海底流畅操作，自由活动。当然，精细化程度的提高还有依赖与其他控制技术、防抖技术、装配技术等的整体升级。

4 结束语

本文主要介绍了水下机械手的发展现状和关键技术，并对未来水下作业机械手发展趋势做出展望。未来水下机械手将会扩展其作业范围、 提高自动化程度以及高精细化领域取得进展，在海洋资源开发利用、大洋勘探、海洋救助、水下工程等领域发挥更大的作用。

参考文献：

[1]王璇，刘涛，高波.水下机械手的研发现状及发展趋势[J].机电产品开发与创新，2012，25（3）：25-29.

[2]张敏.水下机械手设计及仿真研究[D].西安：西北工业大学，2005.

[3]杨农林，茅及愚，向忠祥.國外水下作业机械手的特点及发展趋势[J].海洋科学，1990，6.

[4]张铭均.水下机器人[M].北京：海洋出版社，2000.

[5]薛利梅.水下机械手信息融合及作业规划研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[6]张栋翔.水下智能机械手的光视觉信息获取与处理[D].合肥：中国科学技术大学，2009.