水下机器人推进系统综述
◎ 王重凯 尹辉 林鑫涌 赖寿荣 广东海洋大学
摘 要:随着科技的发展,水下机器人的性能越来越智能化,应用的领域也越来越广泛。本文
阐述了水下机器人的推进装置,介绍了水下机器人常见的推进装置类型和关键技术。
关键词:水下机器人 推进装置 关键技术
水下机器人按用途分类可分为
作业用水下机器人和观测用水下机
器人;按电源配置分类,可分为有缆
水下机器人(ROV)和无缆水下机器
人(AUV);按运动方式分类,可分为
浮游式水下机器人、履带式水下机器
人和步行式水下机器人。近年来,随
着越来越多的国家重视海洋,如何
设计出多功能智能化的水下机器人
以及高效率的水下推进装置成为研
究重点。
国外对水下机器人研制较早,技
术也更加先进。自从1953年世界上
第一台水下机器人“Poodle”研发出
来后,世界各国也都开始了对水下机
器人研究机构的创建。2010年美国
科研人员研发出主要依靠海水热能
驱动的新型水下机器;2019年挪威
科技大学和kongsberg海事公司合
作研究出一款仿生机器蛇,可以更方
便的到达目的区域。我国开展对水下
机器人研究较晚,我国首台水下机器
人“海人一号”样机在1985年进行海
试并取得成功,此后国内水下机器人
研究层次不断上升新得高度。2018
年10月,我国自主研制的“海星号”
有缆水下机器人下潜深度突破6000
米,创造了我国有缆水下机器人最大
下潜深度;由中科院海洋所等机构
研发的“发现号”水下机器人,已经
执行数百个潜次任务,获取数千例岩
石、生物等样品。
1.水下机器人的推进系统
目前,水下机器人的推进装置主
要有螺旋桨推进器、液压推进器、泵
喷推进器、磁流体推进器、仿生推进
器、履带推进器等。
2.螺旋桨推进器
螺旋桨是指靠桨叶在水中旋转,
将电机转动功率转化为推进力的装
置。工作原理:由作用力与反作用力
的原理可知,当电机带动螺旋桨转动
时,产生对水的一个向后的力,那么
水也会对螺旋桨一个反作用力,以此
来驱动水下机器人。可以通过改变
驱动电机的转速参数以及螺旋桨的
转向来控制水下机器人的航速和航
向。目前大多数水下机器人采用多螺
旋桨协同推进方式,即通过对螺旋
桨分布的位置进行设计,然后通过
系统控制每一个螺旋桨的旋转,继
而达到控制机器人的姿态和驱动。
这种推进方式的优点是:螺旋桨在
一定速度下连续转动可以产生高效
的推进力。缺点是:在机器人较高速
度航行时,能量损失比较大。目前常
见的螺旋桨形式有:可调螺距螺旋
桨、导管型螺旋桨、串列型螺旋桨、
对转螺旋桨。我国研制的“蛟龙号”
载人下潜机器人采用的是多导管螺
旋桨协同推进。
3.液压推进器
液压推进系统因为由液压液体
流量来控制,所以增大了调速范围。
液压推进器采用安装螺旋桨推进,
通过增加推进器的个数来对机器人
姿态和航向的改变。液压推进系统
主要由液压动力单元、控制单元、执
行单元、液压油和其他辅助元件组
成,通过元件间的相互配合来驱动
机器人。现阶段水下作业级机器人基
本采用液压推进方式,这种推进方
式的特点:液压系统体积小、传动稳
定、通用性强、安全性高、良好的调
速性等。为了设计和调试液压系统,
采用计算机仿真,目前主要的液压仿
真软件有:AMESim、Matlab等,
其中AMESim应用范围最广。2014
年4月,我国国内首套应用于4500米
级水下机器人“海马号”的液压推进
系统在南海通过了海试验收。
4.喷水推进器
喷水推进器又称泵喷推进器,一
般将进水口、水泵和喷口等部件的综
合称为喷水推进器。原理是:水通过
进水口进入,由电机带动水泵将水加
速后经出水道,由喷口向后喷出,利
用反作用力推动机器人前进。采用喷
水推进器的优点:效率高、速度快、
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/ 珠江水运
·2019·07
学术
ACADEMIC
噪声低。缺点是:在推进器的进口不
设隔栅,容易进入杂物,设了隔栅也
会增加航行时的阻力;成本较高。泵
喷推进器应用在潜艇、鱼雷等
5.磁流体推进器
基本原理是电磁作用,具体说就
是海水通过进水口进入推进器内,
之后通过安装在机器人设备上的电
极在海水中施加电场并产生电流,
通电海水由于洛伦兹力的作用,海
水由出水口向船尾方向喷射,由作用
力与反作用力的原理来驱动机器人。
该推进方式的优点:安静可靠、隐
蔽、灵活。
6.仿生推进器
仿生推进的推进方式已成为水
下航行器的新方向。海洋生物越来
越受人们关注,海洋生物经过长时间
的进化,自身在水下具有良好的能动
性,可以在中狭小的空间进行灵活的
运动。科学家通过观测海洋鱼类,结
合鱼类的运动特点,将这些特点运用
到水下航行器中,研发出可以灵活运
动并且所受阻力小的仿生水下机器
人;通过研究分析鱼鳍的摆动振幅与
频率,运用到水下机器人中,可以更
好的提高推进速度和推进效率。在
研究仿生机器人的过程中,研究人员
采用杠杆和活塞等机构实现仿生运
动,虽然这种方式与传统螺旋桨推
进相比较有很大的推进效率,但是,
这些仿生机构很难实现如海洋生物
般的柔性运动,相比之下有很大的缺
陷。近年来,智能材料发展迅速,如
记忆合金和纳米碳复合材料等智能
材料,研究人员将智能材料运用到仿
生机器人中,研发出了新型的仿生机
器人。新型仿生机器人更加容易的
模仿出生物复杂的柔性运动。现阶段
研究人员对新型仿生机器人的驱动
和控制不够成熟,所以在今后的研究
中,如何利用智能材料的优点,并把
它运用到机器人中,继而提高驱动效
率,成为研究的一个重点。
7.履带式推进方式
采用电机带动履带继而驱动机
器人的方式。一般采用履带推进方
式的机器人都安装相互独立的电
机。采用了履带的水下机器人,多用
于贴底作业,以及复杂水底地形作
业。这种推进方式的优点是:具有良
好的越障能力。
8.步行式推进方式
步行式推进也类似与仿生推进,
根据螃蟹、蜘蛛等生物的爬行方式
而研发出的推进方式。在步行推进
方式中,如何设计驱动关节之间的连
接成为研究的一个重点,比如要考
虑传动时的传动效率,以及传动关
节的自锁能力。这种推进方式的优
点是:对一些水下未知的情况和环境
适应性较强,可以根据调整步态规划
实现在复杂水底行走。目前步行式水
下机器人有“四足、八足”等类型。
比如加拿大研发的仿生四足机器人
SCOUTⅡ。
9.混合推进方式
混合推进技术即不局限于在机
器人上安装一种推进方式,可以通过
安装多种推进设备对机器人的推进
功能进行补缺,使之更加完善,拥有
更加优异的推进效果。这种推进方
式的优点是:可以保持机器人工作时
的低速稳定性;具有较高的推进效
率。比如日本研发出的柔性长鳍尾舵
联合操控潜航器采用了螺旋桨和仿
生推进两种推进方式。
本文主要对当下水下机器人的
推进装置的类型和技术进行叙述。
鉴于科技的发展以及人工智能的进
步,水下机器人进入新得发展阶段。
在设计水下机器人时,要充分考虑对
驱动方式的选择,选择并设计出最
适合的推进方式。水下机器人的发
展带给人们许多便利,应用与安全搜
救、科研探索等领域。水下机器人推
进装置的发展,推进海洋资源和科
研的探索和研究,在很大程度上促
进了海洋事业的发展和崛起。未来的
水下机器人的发展会怎样?应该是
水下机器人完全自主执行任务?还是
使用机器人在水下航行但科学家在
不断的监控机器人状态?不管怎样,
高效率的推进是水下机器人研发人
员需要考虑的问题。
资助项目:大学生创新创业训练项
目(CXXL2019031)、广东海洋大学本
科生创新创业团队(CCTD201812)
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