深海爬游機器人概念及關(guān)鍵技術(shù)分析

陳虹，王心亮，魏偉，劉智，馬哲松，鄭超，唐平鵬

武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430205

0 引 言

海洋占地球表面積的71%，是地球上最大的自然地理單元，擁有地球上最多的生物種類和豐富的自然資源。而深度超過1 000 m的深海區(qū)域蘊藏著豐富的油氣、礦產(chǎn)、生物和深海水等資源，是地球上尚未被人類充分認識和開發(fā)利用的戰(zhàn)略性資源基地，也是人類未來大規(guī)模開發(fā)的最廣闊地區(qū)［1］。

由于人類難以在海洋環(huán)境條件下生存，因此對海洋的探索和開發(fā)離不開各種海洋裝備。深海機器人是一類重要的海洋裝備，通過搭載的各種電子、機械設(shè)備，能夠快速、準確地巡游于深海環(huán)境，進行深海資源勘探、科學(xué)考察、礦產(chǎn)開發(fā)以及完成某些特殊任務(wù)［2］。深海機器人的技術(shù)水平一定程度上標志著一個國家海洋資源勘探、開發(fā)的科技水平和海洋權(quán)益維護的能力。

近年來，世界各國針對深海機器人技術(shù)進行了廣泛研究，已研制出多種類型的深海機器人。其中自主式水下機器人（AUV）和遙控水下機器人（ROV）是研究較多的深海機器人。在深海AUV方面，國外著名的有美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的Odyssey系列［3］、加拿大ISE公司研發(fā)的Explorer AUV［4］等，國內(nèi)也有中國科學(xué)院沈陽自動化研究所聯(lián)合哈爾濱工程大學(xué)等單位研制的CR-01及其改進型CR-02，以及后來自主研制的“潛龍一號”和“潛龍二號”［5-6］，如圖1所示。在深海ROV方面，國外著名的有美國伍茲霍爾海洋研究所研制的Jason號、日本海洋科學(xué)技術(shù)中心研制的KAIKO 7000號等，國內(nèi)上海交通大學(xué)也先后研制出了“海龍”號和“海馬”號ROV［7］，如圖2所示。對比AUV與ROV可知，AUV無需電纜遙控，活動范圍大，探測能力強，但懸停定位、穩(wěn)定作業(yè)能力不足，而ROV依靠多個不同方向的推進器提供穩(wěn)定推力，可精確移動定位和作業(yè)，但活動范圍受拖纜的限制。AUV和ROV往往設(shè)計為零浮力，因而在復(fù)雜的海底作業(yè)時會受到比較大的限制，而爬行機器人在這方面則有著先天優(yōu)勢。

近年來，隨著陸上多足機器人的發(fā)展，國外也開始了水下多足機器人的研究。如美國賓西法尼亞大學(xué)研制的Rhex［8］、加拿大麥吉爾大學(xué)研制的AQUA［9］、韓國海洋系統(tǒng)研究工程部2015年研制的纜控水下多足仿生機器人CR200［10］（圖3）以及目前正在研制的深海版CR6000等。水下多足機器人可以像龍蝦和螃蟹一樣在海底爬行。研究表明，爬行機器人具有地形適應(yīng)性好、海底作業(yè)穩(wěn)定等優(yōu)點，但同時也顯露出其能源利用效率低、機動能力弱等不足。

鑒于此，本文提出一種既可在水下巡游，又能在海底爬行的爬游混合型機器人新概念，并對爬游機器人水下運動模式存在的挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)進行深入分析，同時對爬游機器人實體樣機的研制進展做簡要介紹。

1 爬游機器人概念及特點

針對深海海底復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定探測和精確作業(yè)等任務(wù)需求，深海爬游混合型機器人既可通過多肢多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)海底復(fù)雜地形中的精確移動和洋流干擾下的穩(wěn)定坐底，也可利用導(dǎo)管螺旋槳推動爬游機器人進行快速遠距離的水下巡游。通過合理規(guī)劃爬行和游動的組合軌跡與控制，實現(xiàn)有限能源的最優(yōu)利用。兼具AUV高效大范圍的機動能力與ROV的精確移動定位能力，還可在復(fù)雜的海底地形和洋流擾動下，進行穩(wěn)定的海底作業(yè)。此外，在海底采用足式移動，相對輪式、履帶式及螺旋槳對海底沉積物擾動小，可為所攜帶的探測傳感設(shè)備提供更好的探測條件，便于對海底作業(yè)目標的探測和識別。

爬游機器人采用模塊結(jié)構(gòu)，主要包括4個組成部分：

1）平臺與動力系統(tǒng)，包含主控制艙、拋載控制艙、本體框架、主電源、浮力材料、主推進器和垂直推進器。

2）機械腿系統(tǒng)，包含前腿、中腿、后腿、機械手和足力傳感器。其中，前腿可兼作機械手。

3）導(dǎo)航與控制系統(tǒng)，包含控制電子艙、導(dǎo)航計算機、運動控制計算機、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、超短基線定位和水聲通信系統(tǒng)、頻閃燈、高度計、深度計、水下照明、水下相機及避碰聲吶。

4）安全拋載系統(tǒng)。

其總體方案如圖4所示。主體結(jié)構(gòu)采用框架式，6條多關(guān)節(jié)機械腿對稱布置于框架下方兩側(cè)，1對導(dǎo)管槳推進器水平安裝在框架后部?？蚣苤胁坎贾糜腥菁{各類控制器件的控制電子艙，高能量密度主電源、潛浮與應(yīng)急拋載系統(tǒng)等機構(gòu)及模塊位于耐壓艙下面的框架結(jié)構(gòu)下部?？蚣苌喜徊捎酶×Σ牧咸畛浒玻倔w部分采用非回轉(zhuǎn)體流線外形，以使爬游機器人獲得較好的水動力性能及站立抗擾流性能。

針對深?？茖W(xué)考察、環(huán)境監(jiān)測、工程實施、應(yīng)急搜救等需求，在進行深海爬游機器人關(guān)鍵技術(shù)研究的同時，同步開展實體工程樣機研制工作，并通過海試對爬游機器人的相關(guān)性能進行驗證。該爬游機器人的主要技術(shù)指標見表1。

表1 爬游機器人主要技術(shù)指標Table 1 The technical specifications of walking-swimming robot

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

爬游機器人不是在現(xiàn)有多足機器人的基礎(chǔ)上簡單地加個螺旋槳就可以實現(xiàn)的。首先，爬、游混合將帶來更加豐富的運動模式，爬游機器人獨有的多模式平穩(wěn)切換對于實現(xiàn)其水下功能至關(guān)重要；其次，爬游機器人為無纜自主機器人，所攜帶的能源有限，需要優(yōu)化不同運動模式的能源消耗以實現(xiàn)更好的任務(wù)完成能力；最后，爬游機器人的應(yīng)用環(huán)境在深海，設(shè)備器件都需要承受高水壓，尤其是機械腿電動關(guān)節(jié)往復(fù)擺動密封不同于常規(guī)螺旋槳動密封。這些獨特的應(yīng)用特點將帶來一系列不同于傳統(tǒng)水下機器人的新的關(guān)鍵技術(shù)問題。

通過總結(jié)分析可以發(fā)現(xiàn)，爬游機器人需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題除了通常AUV中需要解決的水動力性能、耐壓結(jié)構(gòu)以及爬行機器人要解決的行走步態(tài)等關(guān)鍵技術(shù)外，還需解決適應(yīng)其應(yīng)用特點的特殊問題，包括爬游切換時的穩(wěn)定控制、洋流擾動下如何穩(wěn)定、多運動模式如何規(guī)劃調(diào)節(jié)才能有效利用能量、運動關(guān)節(jié)的高壓密封，以及新型爬游機器人總體集成與優(yōu)化等。

2.1 運動姿態(tài)調(diào)節(jié)

爬游機器人不同于傳統(tǒng)爬行機器人的重要方面是其兼具有海底爬行和水中游動功能，這也使其擁有了更多的運動模式，在水下主要包括下潛、巡游、落底、坐底、爬行、作業(yè)、起底、上浮等8種方式。而由本體和機械腿構(gòu)成的爬游機器人腿部重量較大，可通過調(diào)整腿部關(guān)節(jié)的角度來調(diào)節(jié)機器人整體的重心高度。多種穩(wěn)定調(diào)節(jié)的手段以及更加豐富的運動模式，使得爬游機器人的運動姿態(tài)調(diào)節(jié)對于爬游機器人水下運行的安全穩(wěn)定具有重要意義。

爬游機器人在爬行/游動混合運動模式中，其姿態(tài)、航速變化幅度較大，存在多種非線性不確定性，多足與推進器作用效能時變，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度較低，極易失穩(wěn)。因此，既需要綜合考慮爬游機器人運動狀態(tài)的可達性和狀態(tài)切換的平穩(wěn)性，又需要具備在復(fù)雜海流及多種非線性不確定性干擾情況下的魯棒控制能力。需針對爬游機器人爬行模式與游動模式之間的切換，設(shè)計爬游混合運動控制算法。規(guī)劃模式轉(zhuǎn)化過程中軀體的姿態(tài)變化軌跡、多肢關(guān)節(jié)的路徑以及推進器的控制策略，在足力、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)的驅(qū)動下，引導(dǎo)爬游機器人姿態(tài)由爬行姿態(tài)逐漸躍起，在推進器的動力下離地游動，多肢關(guān)節(jié)在變換到巡游模式時，需要配合機械腿完成姿態(tài)的閉環(huán)調(diào)整，從而實現(xiàn)爬行到游動的混合平滑切換控制。同理，需實現(xiàn)由巡游模式到爬行模式的反向轉(zhuǎn)換。

針對游動模式與爬行模式切換的落底和起底過程，以爬行平衡狀態(tài)為起點，巡游狀態(tài)為終點，以狀態(tài)和能量變化最小為目標函數(shù)，連續(xù)求解模式轉(zhuǎn)換過程中的軀體和關(guān)節(jié)的平衡點狀態(tài)，形成模式轉(zhuǎn)換路徑，即一系列連續(xù)變化的航速、姿態(tài)、多肢關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)構(gòu)成的平衡點；以轉(zhuǎn)換路徑作為參考指令，不同平衡點根據(jù)運動過程中各腿部關(guān)節(jié)以及推進器對于姿態(tài)的作用效能，根據(jù)逆動力學(xué)求解姿態(tài)平衡所需的力和力矩，然后按照比例分配給相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)，并采用模糊推理根據(jù)當前的航速及姿態(tài)對連續(xù)運動過程進行綜合推理分析，從而實現(xiàn)多模式爬行/游動平滑切換的混合運動控制。落底/起底控制邏輯圖如圖5所示。

2.2 多肢多關(guān)節(jié)協(xié)同抗擾流

由于海水的密度約為空氣密度的800倍，使得爬游機器人在水底移動及遭遇擾流時的水阻力遠高于陸上機器人移動受到的空氣阻力，這也是水下機器人與陸上機器人的另一顯著差別，在分析水下機器人的受力時必須要考慮流動阻力的影響。在爬游機器人水下坐底、爬行和作業(yè)時，可能受到來自不同方向的具有一定流速的暗流的擾動，對爬游機器人的沉底作業(yè)穩(wěn)定性造成了很大的影響。爬游機器人特有的多肢多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)使其可通過機械關(guān)節(jié)角度的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)本體姿態(tài)的調(diào)整，從而改變受到來流時的升力阻力分配，提高其在擾流中的穩(wěn)定性。

根據(jù)爬游機器人總體方案，結(jié)合設(shè)計指標要求，開展了爬游機器人本體水動力建模與抗洋流穩(wěn)定性研究。通過CFD數(shù)值計算手段，對不同本體傾角條件下的爬游機器人本體受水動力情況進行了仿真分析（圖6），獲得了不同傾角時本體升力、阻力的變化情況。由圖6可知，在相同來流速度情況下，本體傾角的變化對受力有顯著影響。

在此基礎(chǔ)上考慮地面邊界效應(yīng)以及支撐足的影響，建立了附加6條足的地面站立爬行機器人流場仿真模型（圖7），并對不同來流以及不同本體傾角條件下的水動力性能進行數(shù)值模擬，結(jié)合動態(tài)穩(wěn)定裕度法對爬游機器人的穩(wěn)定性進行計算，得到了不同洋流條件下本體的安全活動閾值（圖8），下一步將據(jù)此構(gòu)建洋流條件下的爬游機器人安全運行策略。

2.3 低能耗運動規(guī)劃

作為自主運行的爬游機器人，其所攜帶的能源總量有限，所攜帶能源的利用效率直接決定了爬游機器人水下的作業(yè)時間和作業(yè)范圍。爬行具有精確移動的優(yōu)勢，但能量消耗較高，而游動時的能源利用效率較高，這就使得低能耗運動規(guī)劃成為爬游機器人需要解決的一個關(guān)鍵問題。需要對不同海底環(huán)境、不同任務(wù)開展運動方式的規(guī)劃，并與優(yōu)化問題同時展開分析，對深海爬游機器人的路徑規(guī)劃、運動規(guī)劃、爬行/游動模態(tài)的控制算法開展研究，構(gòu)造最低能耗規(guī)劃控制算法，提高爬游機器人的運動能耗性能。

低能耗運動規(guī)劃研究分為局部能耗優(yōu)化和全局能耗優(yōu)化2種。局部優(yōu)化指爬行、游動等模態(tài)下的能量損耗最優(yōu)，全局優(yōu)化指基于深海復(fù)雜地貌環(huán)境探測與能耗評估，進行路徑、運動規(guī)劃，實現(xiàn)能量最優(yōu)分配。

針對局部能耗優(yōu)化，需對關(guān)節(jié)電機和推進器電機的能耗進行分析。對足端腳力約束和關(guān)鍵力矩約束進行分析，對爬行、游動、爬/游混合姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)中的步態(tài)分配、多足腳力控制的參數(shù)進行調(diào)整，使其在滿足控制性能指標及穩(wěn)定裕度的基礎(chǔ)上，降低爬行、巡游、爬游混合等不同運動模式下的能源消耗。

對于全局能耗優(yōu)化，需要建立復(fù)雜地貌因素、運動模式與能量消耗之間的模式分類函數(shù)，對不同因素的能量損耗進行量化分析，結(jié)合系統(tǒng)的約束條件，在保證爬游機器人的任務(wù)可達的基礎(chǔ)上，規(guī)劃出一條爬游機器人從當前起點到目標任務(wù)點的航行線路。通過對周圍環(huán)境中的地形和干擾因素進行整體分析，結(jié)合自身的能耗特性，并根據(jù)爬游機器人具體的作業(yè)任務(wù)進行全局路徑規(guī)劃。當爬游機器人需要進行大范圍運動時，采用巡游的方式；當需要進行精確作業(yè)時，則采用爬行的方式；當需要抵抗海流擾動時，爬游機器人通過爬行并調(diào)整姿態(tài)來實現(xiàn)。爬游機器人在水下作業(yè)時的全局路徑規(guī)劃如圖9所示。其在運動和作業(yè)的過程中始終以能耗和作業(yè)任務(wù)為優(yōu)化目標，對運動方式和路徑進行規(guī)劃，確保在航行過程中處于耗能最小的狀態(tài)。

2.4 運動關(guān)節(jié)高壓密封

作為深海爬游機器人，為保證其在深海水下的可靠運行，高壓密封是必須解決的關(guān)鍵問題。不同于傳統(tǒng)螺旋槳驅(qū)動的AUV和ROV的動密封形式，爬游機器人多肢多關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)是由多個在一定角度內(nèi)往復(fù)擺動的電動關(guān)節(jié)組成，其水下爬游姿態(tài)的調(diào)整需要通過多肢多關(guān)節(jié)機械臂/腿協(xié)同運動來實現(xiàn)，關(guān)節(jié)的水密可靠是爬游機器人正常工作的基礎(chǔ)。

關(guān)節(jié)往復(fù)擺動的動密封既要保證關(guān)節(jié)電機、驅(qū)動器、編碼器等器件在水下高壓下的正常工作，也要盡可能減小動密封帶來的電機效率損失。此外，為了保證機械腿的運動良好，關(guān)節(jié)設(shè)計應(yīng)尺寸緊湊。因此，關(guān)節(jié)設(shè)計為帶有壓力補償型的結(jié)構(gòu)，電機和速度（位置）傳感器都在浸油環(huán)境中運行，并為驅(qū)動器等不能承壓器件設(shè)計專用耐壓結(jié)構(gòu)，通過靜密封結(jié)構(gòu)與電機分隔開，電機出軸端采用多種動密封的組合密封方式。圖10所示為研制的關(guān)節(jié)樣件，以及在高壓釜中完成的連續(xù)運行耐壓測試。測試結(jié)果表明，電機在各種工況下運轉(zhuǎn)正常，密封良好。

2.5 總體集成與優(yōu)化

爬游機器人的設(shè)計涉及多種專業(yè)，需要綜合運用水動力、結(jié)構(gòu)、機械、電氣、通信、控制等多方面的知識才能完成設(shè)計。此外，設(shè)計問題相互耦合，各性能參數(shù)之間相互制約，使得某一設(shè)計參數(shù)的改變影響多個參數(shù)的變化。

爬游機器人是全新的無人潛水器，從水動力外形、總體布局到系統(tǒng)配置沒有母型可以參照。而多肢多關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點使浮力與重量的平衡更加困難，爬、游混合的水下運動方式增加了爬游機器人運動控制的復(fù)雜度；此外，爬游機器人還需要具備較強的抗擾流能力，并兼顧爬行及游動的穩(wěn)定、機動以及低阻力等約束。需要通過總體集成以及多學(xué)科綜合優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)與設(shè)備的優(yōu)化布局、智能控制策略與運動方式的協(xié)調(diào)匹配。

爬游機器人在綜合考慮爬行、游動功能及下潛安全性的基礎(chǔ)上，處理并分配所有功能和設(shè)備布局的優(yōu)化問題，以功能模塊化和結(jié)構(gòu)分塊化的準則對爬游機器人平臺進行總體布局設(shè)計，確保所有的部件滿足設(shè)計要求，使爬游機器人具有良好的可靠性和擴展性。形成了主要由本體與機械腿兩部分組成的總體布局，其中本體外線形光順，上部稍寬，下部收窄，橫切面呈倒三角形，俯視圖為近似橢圓形，爬游機器人外形設(shè)計方案如圖11所示。這種本體設(shè)計方案可將重量較重的電池、拋載以及機械腿等裝置放置于下部，將浮力材料布置于上部，提高爬游機器人穩(wěn)心高度，有利于提高水下靜穩(wěn)定性；同時，較窄的底部結(jié)構(gòu)可使腿部獲得較大的活動空間，且較窄的底部寬度有利于減小腿部關(guān)節(jié)力矩及功率要求，從而減輕腿部重量，以及用于平衡重量的浮力材料重量。

3 結(jié) 論

本文提出了一種新型自治水下爬游機器人概念，并對爬游機器人的模塊組成、功能和性能指標進行了介紹。由于使用環(huán)境和運行方式的特點，爬游機器人具有不同于傳統(tǒng)水下機器人的特有的關(guān)鍵技術(shù)問題，本文對關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑進行了深入分析，并對各關(guān)鍵技術(shù)的研究進展進行了介紹。后續(xù)將開展工程樣機的研制工作，還需要解決的問題主要有：

1）爬游機器人多運動模式切換控制算法的調(diào)試與功能驗證；

2）爬游機器人水下爬行及游動穩(wěn)定性水動力試驗；

3）關(guān)節(jié)動密封帶來的電機效率損失及長期運行可靠性；

4）水下目標識別與作業(yè)導(dǎo)引技術(shù)；

5）工程樣機耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計試驗與總體重量控制；

6）總體可靠性及拋載系統(tǒng)試驗驗證。