水下作業(yè)型機(jī)械手的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)研究

雷歌

摘 要：水下機(jī)械手可以協(xié)助水下HOV、ROV、AUV完成海洋中的勘察、鉆探、搬運(yùn)等工作，為探索海洋，開(kāi)發(fā)海洋提供支持。文章主要通過(guò)介紹國(guó)內(nèi)外典型水下機(jī)械手的實(shí)例，分析了水下機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)未來(lái)水下作業(yè)機(jī)械手發(fā)展趨勢(shì)做出展望。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)械手；水下作業(yè)；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH136 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A 文章編號(hào)：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

海底資源的探索、發(fā)掘與開(kāi)采都離不開(kāi)水下作業(yè)工具，隨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日趨從陸地過(guò)渡到深海，海洋已逐漸成為世界各國(guó)利益爭(zhēng)奪的主要戰(zhàn)場(chǎng)，各種水下作業(yè)工具應(yīng)運(yùn)而生[1]。水下作業(yè)工具的主要功能“作業(yè)功能”的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)水下機(jī)械手的配合。而搭載著各種專(zhuān)業(yè)水下機(jī)械手的水下機(jī)器人可以完成例如采樣，捕捉，挖掘等工作。本文通過(guò)介紹國(guó)內(nèi)外典型水下機(jī)械手的實(shí)例，對(duì)水下機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)未來(lái)水下作業(yè)機(jī)械手發(fā)展趨勢(shì)做出展望。

1 水下機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)在上世紀(jì)60年代首先研制出深海載人潛水器 “阿爾文”號(hào)，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)探測(cè)海洋資源的歷史。它在海洋4500米的深度中可以進(jìn)行科學(xué)考察，尤其針對(duì)海底的資源，例如礦流，可采取非常精準(zhǔn)的取樣。它的水下作業(yè)系統(tǒng)是由美國(guó)NOSC公司主持研制的WSP機(jī)械手，此水下機(jī)械手的綜合水平在現(xiàn)在來(lái)說(shuō)都是比較成功和具有典型性的。它設(shè)計(jì)為三只機(jī)械手，其中兩只機(jī)械手主要實(shí)現(xiàn)抓握功能，另一只機(jī)械手設(shè)計(jì)為靈巧的作業(yè)機(jī)械手。此航行器作業(yè)時(shí)可直接在水下自動(dòng)更換工具而不需要返回水面[2]。

1989年，日本制造出了名為“深海 6500”的深海載人潛水器，此水下作業(yè)裝置的下潛深度可以達(dá)到水深 6500 米。工作人員可以利用它裝載的水下機(jī)械手配合其攜帶的可旋轉(zhuǎn)采樣籃進(jìn)行取樣作業(yè)[3]。圖1為“深海6500”載人潛水器搭載的水下作業(yè)機(jī)械手。

我國(guó)的水下作業(yè)工具起步雖然比較晚，但是發(fā)展迅速，從最初的用于海洋觀察為主的功能已漸漸過(guò)渡到水下作業(yè)功能。2012年，我國(guó)自主研制的“蛟龍”號(hào)在馬里亞納海溝開(kāi)展7000米級(jí)載人深潛試驗(yàn)。在一次下潛時(shí)抵達(dá)7062米深度，打破了世界上同類(lèi)作業(yè)型航行器下潛的最大深度。“蛟龍”號(hào)潛水器上配置的三大專(zhuān)用作業(yè)工具，包括沉積物取樣器、熱液取樣器和鈷結(jié)殼取芯器以及一套功能強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性好的機(jī)械手。圖2為“蛟龍”號(hào)的機(jī)械手在深海海底插國(guó)旗。隨著我國(guó)“蛟龍”號(hào)的成功下潛，我國(guó)的水下航行器取得了舉世矚目的成就， 經(jīng)過(guò)不斷的更新和完善， 我國(guó)的水下作業(yè)工具已逐漸趕上發(fā)達(dá)國(guó)家的步伐。蛟龍?zhí)柕乃聶C(jī)械手大大縮短了我國(guó)與國(guó)際間在水下作業(yè)方面的差距。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

隨著海洋航行器技術(shù)的不斷發(fā)展，其搭載的水下作業(yè)工具日趨先進(jìn)，可以完成相當(dāng)復(fù)雜的水下任務(wù)?？梢詫?shí)現(xiàn)水下考查任務(wù)、水下石油的開(kāi)采、海底管道鋪設(shè)和維修、海洋搶險(xiǎn)救援、海洋工程建設(shè)等任務(wù)，對(duì)水下機(jī)械手提出了不同的要求。

2.1 計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及仿真軟件的發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)和流體計(jì)算技術(shù)在機(jī)械本體設(shè)計(jì)、選材以及預(yù)試驗(yàn)方面起到越來(lái)越重要的作用。虛擬樣機(jī)技術(shù)通過(guò)在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)械產(chǎn)品的三維實(shí)體模型和力學(xué)模型，可以檢查設(shè)計(jì)產(chǎn)品各部件的干涉情況和運(yùn)動(dòng)情況，從而為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供依據(jù)[4]。

應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可直接利用軟件所提供的各零件的幾何信息，在軟件上創(chuàng)建各部件的幾何模型。對(duì)各部件進(jìn)行虛擬裝配，建立各部件間的約束關(guān)系，從而獲得機(jī)械系統(tǒng)的物理模型，這樣就可以在不同虛擬環(huán)境中模擬零部件的運(yùn)動(dòng)，得到在各種工作情況下零部件的運(yùn)動(dòng)和受力情況。這樣就可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件校正設(shè)計(jì)缺陷，并通過(guò)對(duì)比不同試驗(yàn)條件下的受力情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)物理模型。

流體計(jì)算軟件為水下實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)虛擬計(jì)算平臺(tái)。應(yīng)用流體計(jì)算技術(shù)可以進(jìn)行對(duì)物理模型而言難以進(jìn)行或根本無(wú)法進(jìn)行的試驗(yàn)，可以仿真計(jì)算水下機(jī)械手在不同水深下，不同流速下的運(yùn)動(dòng)和受力情況。為后續(xù)實(shí)驗(yàn)和材料選擇提供了重要參考。

2.2 多傳感融合技術(shù)

水下機(jī)械手對(duì)外界環(huán)境和水下目標(biāo)的感知主要依靠各種傳感器。對(duì)外界環(huán)境信息例如水下流速信息，溫度信息，受力信息的采集主要依靠流速計(jì)，測(cè)溫計(jì)和各種壓力傳感器等。而對(duì)水下目標(biāo)的感知主要依靠聲吶設(shè)備，因?yàn)樵谒聜鬟f信息不同于水上，水上通信主要采用電磁波，而海水對(duì)電磁波的吸收很大，所以水下通信主要依靠聲波。為滿足多種作業(yè)需要， 一般需要配備多種專(zhuān)業(yè)傳感器，以獲得環(huán)境的各種信息，來(lái)滿足探測(cè)和采集等的需要[5]。而怎樣把多個(gè)傳感器采集的信息進(jìn)行整合應(yīng)用，消除信息間的冗余和矛盾，降低不確定性，形成對(duì)所在環(huán)境完整統(tǒng)一的感知，對(duì)提高水下機(jī)械手正確反應(yīng)、決策和規(guī)劃具有至關(guān)重要的意義。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

水下機(jī)械手的工作環(huán)境復(fù)雜，工作任務(wù)多樣，對(duì)水下機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制和作業(yè)規(guī)劃是其完成作業(yè)任務(wù)的基本前提和保障。水下機(jī)械手所在的環(huán)境水動(dòng)力系數(shù)不確定、運(yùn)動(dòng)慣性相對(duì)較大，且受到海浪、湍流等隨機(jī)干擾，所以對(duì)水下機(jī)械手進(jìn)行精確控制是不容易的。因?yàn)闄C(jī)械手的力學(xué)模型具有復(fù)雜的強(qiáng)耦合性和非線性的特點(diǎn)，所以，良好的建模方法、控制算法成為水下機(jī)械手研究的關(guān)鍵技術(shù)。

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)下，水下機(jī)械手要想達(dá)到自主作業(yè)，實(shí)現(xiàn)更多更強(qiáng)的功能，就必須在人工智能領(lǐng)域、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器融合技術(shù)等方面進(jìn)行突破。

3.1 高度智能化

因?yàn)楹Ｑ筮@一工作環(huán)境的特殊性，水下機(jī)械手的作業(yè)難度提高了很多。促使開(kāi)發(fā)操作靈活、反應(yīng)迅速、感知外界變化能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、自適應(yīng)能力強(qiáng)的水下機(jī)械手迫在眉睫。

未來(lái)的水下機(jī)械手應(yīng)該設(shè)計(jì)為具有模塊化功能，每完成一項(xiàng)任務(wù)就可以自動(dòng)更換機(jī)械手，來(lái)繼續(xù)下一項(xiàng)任務(wù)。那么每個(gè)機(jī)械手都應(yīng)具備專(zhuān)業(yè)的局部自治能力以及專(zhuān)項(xiàng)的信息獲取和獨(dú)立的信息處理方法[6]。根據(jù)功能和位置合理配置傳感器，采用信息融合技術(shù)為控制策略提供科學(xué)的依據(jù)。基于任務(wù)的水下機(jī)械手還可根據(jù)任務(wù)自動(dòng)更換作業(yè)工具，高度智能化的水下機(jī)械手必然是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 挑戰(zhàn)全海深

探測(cè)更深的海底，不但可以為深海科研提供服務(wù)，還可以為潛水器本身續(xù)航和大功率工作提供幫助。例如，在海底布放電纜可以為潛水器或其他水下裝置提供充電支持。為了打破國(guó)外的壟斷地位，我國(guó)打算自己研制萬(wàn)米級(jí)機(jī)械手，目前，全新一代的機(jī)械手已經(jīng)完成測(cè)試。我們知道，在水中每增加10米就相當(dāng)于一個(gè)大氣壓，要在一萬(wàn)米深的海底就相當(dāng)于1000個(gè)大氣壓，這對(duì)于機(jī)械手材料的耐壓性提出了相當(dāng)高的要求。并且在深海要實(shí)現(xiàn)正常工作，控制電路部分的密封性必須高度可靠。全海深水下機(jī)械手的設(shè)計(jì)必然是今后發(fā)展的趨勢(shì)之一。

3.3 精細(xì)化程度高

我國(guó)自己研制萬(wàn)米級(jí)機(jī)械手最初研制出來(lái)有一個(gè)缺點(diǎn)就是手抖，科研人員在控制系統(tǒng)猛下功夫，這個(gè)機(jī)械手里的兩個(gè)核心部分，一是肘擺的關(guān)節(jié)，另一個(gè)是腕轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)。

在千米級(jí)至萬(wàn)米級(jí)的深海中，水下機(jī)械手首先要耐得住壓力，還要進(jìn)行精密操作，這些要求給科研人員帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。常規(guī)的液壓油在海底將變得粘稠，導(dǎo)致機(jī)械手運(yùn)動(dòng)緩慢且精度不高，科研人員要避免使用這些常規(guī)的液壓油，采用一種全新的液壓油以及通油管路，讓機(jī)械手能夠在海底流暢操作，自由活動(dòng)。當(dāng)然，精細(xì)化程度的提高還有依賴與其他控制技術(shù)、防抖技術(shù)、裝配技術(shù)等的整體升級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了水下機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)未來(lái)水下作業(yè)機(jī)械手發(fā)展趨勢(shì)做出展望。未來(lái)水下機(jī)械手將會(huì)擴(kuò)展其作業(yè)范圍、 提高自動(dòng)化程度以及高精細(xì)化領(lǐng)域取得進(jìn)展，在海洋資源開(kāi)發(fā)利用、大洋勘探、海洋救助、水下工程等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

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