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《大學計算機基礎》 課程報告 論文名稱：水下機器人研究現狀與探索 二零一七年一月 目 錄 摘　 要 3 關鍵詞 3 1 引言( Introduction) 4 2　 水下機器人分類 ( The categories of underwater robot ) 5 2.1遙控式水下機器人(remotely operated vehicles, ROV） 6 2.2自主水下機器人(Autonomous underwater vehicles, AUV） 7 2.3新概念水下機器人 8 3水下仿生機器人（bionic underwater robot） 9 3.1　 水下仿生機器人主要研究和發(fā)展趨勢 ( The 10 main research and development trends of 10 bionic underwater robot） 10 3.2 水下仿生機器人的問題(The Problems of bionic underwater robot) 11 3.3 驅動以及推進方式 12 4 仿生創(chuàng)新思路 15 4.1以烏賊為代表的海洋動物結構及運動方式 15 4.2 復合式水下仿生機器人 15 4.3 群體水下仿生機器人 16 5 結論 17 參考文獻： 17 水下機器人研究現狀與探索 朱鈺璇 摘　 要: 本文總結了水下機器人的研究歷史，現狀與目前的發(fā)展趨勢，具體分析了現代水下機器人應用的技術，指出他們的優(yōu)缺點，并且針對未來的深海探索機器人的材料，結構，移動方式，動力來源，仿造烏賊等海洋軟體動物提出設想，實際應用前景廣闊。隨著科學技術的發(fā)展, 水下仿生機器人在智能材料制成的驅動裝置、游動機理方面會不斷地完善, 在個體的智能化和群體的協(xié)作方面也會有很大的發(fā)展。 關鍵詞: 水下機器人；深海探索；仿生； PRESENT STATE AND FUTURE DEVELOPMENT OF UNMANNED UNDERWATER VEHICLE TECHNOLOGY RESEARCH ZHU Yuxuan Abstract: In this paper, the history, present situation and future of Unmanned underwater vehicle technology are summarized. We also further describe the mobile robot technologies concerning Unmanned underwater vehicle . In addition, point out the advantages and disadvantages of these technologies . And the exploration of the robot which used to explore the deep sea in the future of material, structure, movement way, the power source, puts forward the idea imitating Vampire Squid. Broad practical application prospects can be expected. With the development of science and technology, bionic underwater robot will be improved in driving system made - up by smart materials and locomotion theories gradually, individual intelligence and team cooperation. Keywords: Unmanned underwater vehicle；the exploration of deep sea; Bionic 1 引言( Introduction) 世界海洋機器人(unmanned marine vehicles, UMV)發(fā)展的歷史大約60年，經歷了從載人到無人，從遙控到自主的主要階段。加拿大國際潛水器工程公司(ISE)總裁麥克·法蘭將海洋機器人的發(fā)展歷史分為4個階段 [1]，并將前3個階段稱為革命(revolution)：第一次革命在20世紀60年代，以3人潛水器為標志；第二次革命為70年代，以遙控水下機器人的迅速發(fā)展為特征；第三次革命大體為80 年代，以自主水下機器人的發(fā)展和水面機器人(USV)的出現為標志。現在則是混合型海洋機器人的時代。 水下機器人(Unmanned underwater vehicle, UUV)是一種可在水下移動、具有感知系統(tǒng)、通過遙控或自主操作方式、使用機械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業(yè)任務的機電一體化智能裝置。水下機器人是人類認識海洋、開發(fā)海洋不可缺少的工具之一,亦是建設海洋強國、捍衛(wèi)國家安全和實現可持續(xù)發(fā)展所必需的一種高技術手段。 水下機器人的移動方式十分多樣。螺旋槳推進的水下機器人存在流體推進效率低、動作不靈活、噪音大、槳葉會傷害海洋動物等問題。針對這些問題,游動水下仿生機器人如機器魚應運而生,但它們耐壓能力較低。軟體動物烏賊憑借噴射和鰭波動的高效、靈活的復合游動方式,成功地與魚類競技海洋;它們依靠肌肉性靜水骨骼,活躍于從上千米的深海至海平面的廣闊海域。 [2]就當前水下仿生機器人的發(fā)展水平來看，現有水下仿生機器人的功能特性仍然與被模仿的生物存在很大差距。生物體本身結構復雜，其運動規(guī)律又難以觀測，學科交叉方面也存在問題。這都限制了仿機器人的發(fā)展。在未來的發(fā)展中，應利用多學科優(yōu)勢并從生物性能出發(fā)，使得水下仿生機器人向著結構與生物材料一體化的類生命系統(tǒng)發(fā)展，才能在生產生活中發(fā)揮更為重要的作用。[3] 2　 水下機器人分類 ( The categories of underwater robot ) 水下機器人在機器人學領域屬于服務機器人類，它包括有纜遙控水下機器人(remotely operated vehicles, ROV)和自主水下機器人(autonomous underwater vehicles, AUV)2大類。此外由于載人潛水器在技術和功能上與水下機器人有共性,我們將其納入水下機器人類。其實這3類機器人的主要差異在于操作模式， ROV 是拴在宿主艦船上，由操作人員持續(xù)控制；AUV 則是可經過編程航行至一個或多個航點，自帶電能，不用纜線。美軍在 2014 年搜尋馬航客機殘骸出動的“金槍魚”就屬于 AUV。但是這兩種類型的無人潛航器（UUV）同樣都會涉及到包括仿生、智能控制、水下目標探測與識別、水下導航（定位）、通訊、能源系統(tǒng)等六大技術。目前，水下機器人主要于水產養(yǎng)殖、水下結構勘查、水底殘骸估測、救援、環(huán)境生態(tài)監(jiān)測、水下攝影等領域。比如，在 2011 年的日本海嘯后，就有使用大量的水下機器人幫助水產行業(yè)恢復；德國則是把“海獺”水下機器人用于近海石油調查、通信線路檢查、軍事應用以及深海探測打撈等。 2.1遙控式水下機器人(remotely operated vehicles, ROV） ROV的能源和控制指令都由水面控制臺提供，通過臍帶纜傳遞給ROV。ROV的有點在于動力充足可以支撐復雜或大型的探測設備，信息采集和數據傳送工作快捷方便，數據采集量大，由于其操作控制和信號處理等工作全部由水面的計算機和工作站來完成，人機交互水平高于AUV，所以ROV的總體決策能力要高于AUV。ROV的致命缺陷就是自身的生命線臍帶纜，在短程操作中問題不大，但是在長距離水下作業(yè)中，臍帶纜很容易與水下其他結構發(fā)生纏繞，當距離較長時，對ROV的動力也是一個很大的挑戰(zhàn)。 圖1列出了2002年和2008年遙控水下機器人數量按深度分布的情況。從圖中可以看出：潛神小于1000m的機器人占總量的40%左右，這是由于絕大多數海洋資源在近海，近海水下生產活動多，需求量最大；中等潛深（2000~4000m）的大約占26%主要服務于深水油氣生產及大洋中脊的科研活動潛深大于7000m的占31%。 圖1 ROV按深度的數量分布（%） Fig. Quantitative distribution of ROV by depth(%) 注：圖中深色為2002年數據，淺色為2008年數據，縱坐標為數量/總量的百分比，橫坐標×1000m為深度。根據[4]數據繪制 2.2自主水下機器人(Autonomous underwater vehicles, AUV） AUV涉及流體力學、水聲學、光學、通信、導航、自動控制、計算機科學、傳感器技術、仿生學等眾多領域的高新技術，成為當代科技最新成果的結晶。AUV在水下通過各類傳感器測量信號，經過機載CPU進行處理決策，獨立完成各種操作，例如進行水下機動航行，動力定位，信息采集，水下探測等。通常這種機器人依靠水聲通訊技術與岸基和船基進行聯(lián)絡，或者浮出水面，撐起無線電天線，與陸基和衛(wèi)星進行通訊。AUV的能源完全依靠自身提供，往往自身攜帶可充電電池、燃料電池、閉式柴油機等。該類設備優(yōu)點是活動范圍可以不受空間限制，并且沒有臍帶纜，不會發(fā)生臍帶纜與水下結構物纏繞問題，但是水下的續(xù)航能力和負載能力受到自身能源的強烈制約，只能完成一些短程和輕載的工作，而自身的CPU處理能力又很大程度上限制了AUV所能從事工作的復雜程度。 AUV在實際的水下作業(yè)中無需人工干預，它們可以自主地航行在難于接近的、無法預知的或危險的海洋環(huán)境之中，完成自主導航、自主避障和自主作業(yè)等任務。因此，AUV成為完成各種水下任務的有力工具，例如，在海洋工程領域，可用于施工前調查、施工中監(jiān)視、施工后巡檢，水下作業(yè)支援，水下施工、維護、維修等；在海洋科學研究領域，可以海洋環(huán)境數據采集，海床地質地貌勘察，海洋考察，及冰下科學考察；在軍事領域，則可用于敵情偵察，水雷戰(zhàn)與反水雷戰(zhàn)，援潛救生等。 ? 圖2 英國的“AUTOSUB” 3水下仿生機器人（bionic underwater robot） 圖4：水下仿生機器人發(fā)展歷程 3.1　 水下仿生機器人主要研究和發(fā)展趨勢 ( The main research and development trends of bionic underwater robot） 仿生機器魚(bio-mimetic robot fish)又名機械魚，人工魚或魚形機器人)，顧名思義即參照魚類游動的推進機理利用機械電子元器件或智能材料(smart material)來實現水下推進的一種運動裝置。魚類是最早的脊椎動物之一，經過長期的自然選擇進化出非凡的水下運動能力，魚類的運動具有高效、高機動、低噪聲等特點。國外學者很早就致力于對魚類推進模式及仿生機器魚的研究。對魚類的形態(tài)、結構、功能、工作原理及控制機制等進行模仿、再造，能提高水下機器人的推進效率和速度，使水下機器人更適合在狹窄、復雜和動態(tài)的水下環(huán)境中進行監(jiān)測、搜索、勘探、救援等作業(yè)。1994年MIT研究組成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生金槍魚。（如上圖）該階段機器魚主要采用 BCF 推進模型，研究人員致力于如何提高推進效率以及提高機器魚的運動靈活性。此后，結合仿生學、機械學、電子學、材料學和自動控制的新發(fā)展，仿生機器魚的研制漸成熱點。 大部分魚類的推進方式分為身體尾鰭（body and/or caudal fin，BCF）推進模式和中間鰭對鰭（median and/or paired fin，MPF）推進模式兩種。其中，采用BCF模式游動的魚類，主要通過身體的波動和尾鰭的擺動產生推進力，其瞬時游動的加速性能好，周期游動的巡航能力強；采用MPF模式的魚類，主要依靠胸鰭或腹鰭的擺動產生推進力，其機動性能好。如 2010 年新加坡南洋理工大學研制的“RoMan-II”仿生蝠鲼試驗樣機（圖5），身體兩側平均分布有 6 個柔性鰭條，通過鰭條的拍動產生推進力，可實現各個方向的機動性，該樣機可完成 原地轉彎和直線后退等高難度動作，穩(wěn)定巡航時，速度可達到 0.5 m/s [5] 。 圖5 圖6 近年來，隨著仿生材料、柔性材料的出現，采用柔性驅動成為了水下仿生機器人的一個研究熱點。如 2011 年，美國弗吉尼亞大學研制的仿生蝠鲼（圖6），質量為 55.3 g。該仿生蝠鲼的鰭條采用人工肌肉產生驅動力，通過水池游動試驗測定其速度可達 0.4 cm/s 。此外，美國哈佛大學也進行了柔性驅動的相關研究，并研制了利用柔性胸鰭進行推動的水下機器魚。 3.2 水下仿生機器人的問題(The Problems of bionic underwater robot) 水下仿生機器人發(fā)展至今，對其研究取得了一系列的成果，顯示出了廣闊的應用前景和極強的生命力。但由于其學科交叉性，發(fā)展至今依然存在“形似而神不似”、實際應用有限等諸多問題。其中有一些是仿生機器人的共性。首先，科學家們對海洋生物的生物機理了解不夠透徹，學科交叉不夠成功。其次，當前機器人多采用剛性結構，這固然有著運動精確的優(yōu)點，但結構的剛性使其環(huán)境適應性較差，在狹窄空間內的運動受到限制，無法通過尺度小于機器人尺度或形狀復雜的通道，并且，剛性結構也難以適應深海水壓變化。（如表一）第三，現代仿生材料已經發(fā)展到了較高的階段，具有最合理的宏觀、微觀結構，并具有自適應性和自愈合能力。在比強度、比剛度與韌性等綜合性能上都是最佳的然而對于水下機器人的研究工作并沒有很好地應用這些成果。第四，現有的仿生驅動方式以機電驅動為主，相較于生物憑借微量化學物質就能轉化出巨大能量來講，能量轉換效率上難以望其項背。 表一：各種機器人特性比較[6] 3.3 驅動以及推進方式 剛性機體結合簡單形變柔性胸鰭，對仿生原型的機體結構，尤其是胸鰭的結構，進行了大量的簡化。僅保留其擺動運動特征，而忽略其復雜的構型，實現功能仿生。樣機采用剛性的中部機體，以膜狀或板狀柔性材料構成胸鰭鰭面，胸鰭一般采用剛性或柔性鰭條作為加強肋，并起到驅動作用。 典型樣機為 2004 年日本科研工作者 IMAE所開發(fā)，這也是首臺能夠實現水下自由游動的采用胸鰭擺動推進模式的仿生魚。樣機如圖 7 所示，其胸鰭采用柔性乙烯樹脂薄膜，鰭骨為淬火鋼帶，以剛性雙四桿機構驅動胸鰭前緣帶動胸鰭鰭面實現擺動運動。樣機長 0.65 m，展寬 0.5 m，質量 0.64 kg，利用尾部的方向舵控制樣機的運動方向。下潛深度1.5 m 左右，一次充電可續(xù)航 0.5 h，防水性能良好。全速游動速度比人的步行速度稍慢，約為 0.6 m/s。[7] 圖 7 首臺胸鰭擺動推進仿生魚 全柔性機體指仿生樣機制作采用柔性材料制樣機機體。全柔性機體制作根據胸鰭擺動推進的變形需求和仿生原型的構型特點，對機體的柔性分布進行設計，樣機設計接近功能仿生與形態(tài)仿生相結合。樣機實現水下自由運動較為困難，但能夠更加有效地探究仿生原型特有的結構特征對仿生推進性能的影響。 典型樣機為由日本大阪大學 SUZUMORI等 [8][9] 澆筑制作的 Manta Robot，如圖 9 所示。2005年開始，SUZUMORI 等對比研究了對稱剛度胸鰭與非對稱剛度胸鰭在推進力以及推進效率方面的區(qū)別。在對被動柔性胸鰭和主動柔性胸鰭深入研究的基礎上，于 2007 年成功設計了氣動橡膠空腔致動器，原理應用于水下仿生機器人的制作。之后，以硅橡膠為基材澆筑制作了氣動空腔驅動的 Manta Robot。樣機采用外置氣源驅動，長 0.15 m，翼展0.17 m，最大游動速度 0.1 m/s，能夠實現非常類似于蝠鲼的胸鰭擺動運動。該樣機驅動源外置，且沒有負載空間，不利于自主控制和遠距離航行。 (1) 功能仿生為主。(2) 剛性機構。現有采用胸鰭擺動推進模式仿生魚樣機的驅動、傳動機構多是剛性并且分離的，無法產生整體漸變的柔性變形，造成胸鰭運動過程的柔順性不足。(3) 傳統(tǒng)驅動器。除個別采用記憶合金或者氣動人工肌肉驅動外，傳統(tǒng)的電動機仍作為胸鰭擺動推進仿生魚樣機主要應用的驅動器(4) 控制方式。有纜控制和無線遙控作為主要的控制方式，限制了仿生樣機的可控運動范圍。并且，受限于水下的復雜環(huán)境，采用多傳感器融合的水下自主游動尚不穩(wěn)定。 圖 8 全柔性 Manta Robot 樣機 傳統(tǒng)的電機驅動方式存在一些缺點：如重量大, 反應不敏捷等, 使水下仿生機器人的發(fā)展和應用受到了很大限制。于是, 許多國家開展了新型智能驅動材料的研究,如:利用形狀記憶合金(Shape memory alloy ，SMA)、電流驅動聚合物(Electroactive polymer，EAP) 、壓電陶瓷等智能材料進行驅動，并研究了身體波動推進、胸鰭波動推進等游動方式。由于 EAP 技術尚不成熟，利用EAP 驅動的仿生胸鰭波動推進器輸出力較小，而且嘗試較多的離子交換膜金屬復合材料 (Ionic exchange polymer metal composites，IPMC)需要保持濕潤，姿態(tài)保持較難，限制了其應用。電流驅動聚合物( Electro Active Polymers , 簡稱 EAP )是人工肌肉的一種, 由導電高分子材料集束在一起制成的像肌肉一樣的復合體, 通過電流激活高分子材料中的離子或電子, 使之完成伸縮、折曲的動作, 控制電流強弱可調整離子或電子的多少, 從而改變其伸縮性。低能耗、無噪聲、高彈性、輕質量的優(yōu)點使其成為制造新型仿生水機器人驅動裝置的智能材料。 4 仿生創(chuàng)新思路 總的來說，當前的水下機器人主要是在仿生機理研究，仿生結構，仿生材料，控制感知方式的方面存在局限性。這些方面的問題也是我們開發(fā)深海探索機器人所面臨的主要問題。從這四個角度出發(fā)，我來談談我自己的一點設想。 4.1以烏賊為代表的海洋動物結構及運動方式 除了噴水推進時的烏賊等動物外，大多數魚類和鰭推進時的烏賊等游動的基本動作單元都是柔性彎曲。烏賊除了烏賊骨和喙之外，沒有任何剛性骨骼，而是由一種稱作肌肉性靜水骨骼的三維肌肉陣列來支撐和驅動。這種柔性骨骼沒有任何充氣結構，使烏賊能承受較大的壓強，潛入較深的海域，例如在上千米的深海也生活著多種烏賊烏賊擁有高超游動能力，具有耐壓結構，游動方式復合，對其進行深入研究，能夠彌補機器魚未采用彈性機制來提高能量利用效率和多使用剛性結構耐壓能力低等的不足。分析烏賊噴射和鰭波動推進的游動機理，烏賊運用的復合游動方式的優(yōu)點是能瞬時改變游動方向，噪聲低，以及即使烏賊的噴射速度低于周圍流體速度，也能產生推力。烏賊體內外套膜腔內外靜壓平衡，進一步提高了它們的耐壓能力。烏賊動作時，彈性機制能夠減少能量消耗，提高能量利用效率。若能將烏賊的游動方式、肌肉組織結構和彈性機制等特點應用到水下仿生機器人上，將使其更加高效、靈活和耐壓。[10] 4.2 復合式水下仿生機器人 現在的軟體機器人大部分以柔軟的硅橡膠為材料，這使得仿生機器人能在障礙物之間穿行而不會造成嚴重的損害。然而在電池以及其他用于電子控制的電子部件上一直難以找到合適的替代材料，因此難以做到全柔性結構。此前，也有MIT的研究人員嘗試放棄傳統(tǒng)的機電驅動方式，通過在仿生魚尾鰭部分注入二氧化碳，替換之前以關節(jié)加馬達驅動的設計，也使得機器魚變得更有爆發(fā)力，在噴射氣流的同時使能在瞬間完成100度的轉向。不過由于魚身裝載氣體有限，目前該機器魚在水下的持續(xù)運動時間僅為幾分鐘。 但是這還是給了我們一些啟發(fā)，類比生物體消耗糖類產生能量，我們可以利用海水之中豐富的化學物質或者就和水反應，比如說在機器人內部放入鈉和減緩反應激烈程度的催化劑，在機器人體內設置恰當的邏輯系統(tǒng)以及流體驅動系統(tǒng)，這樣控制氣體的流速以及反應的劇烈程度。使用噴氣推進技術，主要用于轉向以及加速。仿生材料使用人造肌肉結構,在軟體材料內部制造真空，實現了人造肌肉的收縮而非膨脹。這種新型的人造肌肉更加接近天然肌肉的運動模式，并且由于收縮運動沒有因充氣過度而爆炸的危險，這種人造肌肉也更加安全。同時仿造烏賊的生理結構，達成內外水壓平衡。這種復合式的運動方式無疑會大大加強仿生機器人的靈活性，促使其適應海洋的復雜環(huán)境，應對突發(fā)狀況。 此外，該機器人還應當能效仿魚類的逃避反應，它的結構類似海豚，但是使用的噴氣推進技術類似于水母和魷魚；為了研發(fā)具有肌肉的魚形機器人。需要研發(fā)特殊的制動器。還有中樞模式發(fā)生器，這將使魚形機器人對外界刺激做出反應從而在關鍵任務中做出重要決策。 章魚運動皮層的特定區(qū)域并不對應身體的特定部位，每個區(qū)域在不同時間控制不同部位；而且許多運動不是受大腦控制而是受外圍神經控制，章魚大腦發(fā)出一條一般性的指令，觸手計算出具體的信號，就好像分時操作系統(tǒng)。仿生機器人的神經系統(tǒng)也可以仿照這種結構研制。 4.3 群體水下仿生機器人 像螞蟻這類群居昆蟲，雖然沒有視覺，卻能找到由蟻巢到食物源的最短路徑 ，原因是什么呢?雖然單個螞蟻的行為極其簡單 ,但由這樣的單個簡單的個體所組成的蟻群群體卻表現出極其復雜的行為 ,能夠完成復雜的任務 ,不僅如此 ,螞蟻還能夠適應環(huán)境的變化 ,如: 在蟻群運動路線上突然出現障礙物時 ,螞蟻能夠很快地重新找到最優(yōu)路徑 ,蟻群是如何完成這些復雜任務的呢? 所有這些問題 ,很早就激起了生物學家和仿生學家的強烈興趣 ,仿生學家經過大量細致觀察研究發(fā)現 ,螞蟻個體之間是通過一種稱之為外激素 (pheromone)的物質進行信息傳遞 ,從而能相互協(xié)作 ,完成復雜的任務.蟻群之所以表現出復雜有序的行為 ,個體之間的信息交流與相互協(xié)作起著重要的作用。[11] 由此可見，對于深海那樣復雜未知的環(huán)境，我們應當重點發(fā)展微型水下機器人，而不是巨型機器人。就好比單條魚的力量很弱小, 游動動作很簡單, 但作為一個群體, 魚類在攫取食餌、逃避敵害、群體洄游等方面表現出較強的群體力量。同樣地, 單個水下仿生機器人的活動范圍和能力也是非常有限的。但是水下仿生機器人將在復雜環(huán)境下執(zhí)行水下作業(yè)、海洋監(jiān)測、海洋生物觀察等艱巨的任務。因此, 具有高機動性、高靈活性、高效率、高協(xié)作性的群體水下仿生機器人系統(tǒng)將是未來發(fā)展的趨勢。 5 結論(Conclusion ) 綜上所述，盡管對水下機器人的研究已經取得了一些成就，但是其實對它的研究還處在起步階段。水下仿生機器人涉及到材料科學、化學、微機電、液壓、控制等多學科，從材料、設計、加工、傳感到控制、使用均存在著一系列問題需要繼續(xù)研究。如何制造純柔性的水下機器人？如何更好地運用現有的新型仿生材料？如何提高能量利用率，找到更加合適的驅動方式？這些問題都亟待我們解決。水下機器人作為一種裝備歸于高端制造業(yè), 屬于國家支持的戰(zhàn)略新興產業(yè)范疇,具有戰(zhàn)略制高點的作用。總的來說，海洋空間不適合人類的生存，大規(guī)模開發(fā)和利用海洋資源對機器人和機器人技術有很大的期待和依賴。以機器人代替人推動和實現海洋裝備無人化具有深遠的戰(zhàn)略意義。 參考文獻： [1] McFarlane J R. 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