水下机器人多功能作业工具包
海洋工程中水下机器人技术的创新与实践
海洋工程中水下机器人技术的创新与实践◎ 汤张硕涵 浙江大学摘 要：本文主要探讨了海洋工程中水下机器人技术的创新与实践。
水下机器人技术为海洋工程提供了诸多优势，如提高水下作业效率、实现自动化作业以及降低施工成本。
在应用过程中，关键技术包括水下机器人的规划、传感器技术、环境信息采集、导航控制技术以及遥控和自主模式的选择。
实践表明，水下机器人在海洋资源勘探、环境监测与保护以及辅助施工方面发挥了重要作用。
具体案例包括海底管道检测、海洋环境监测和应急救援以及海洋工程建设中的应用。
随着技术的不断进步，水下机器人技术将在海洋工程中发挥越来越重要的作用。
关键词：水下机器人技术；海洋工程；传感器技术；导航控制技术1.引言水下机器人是一种利用超声波传感器、声呐等仪器对水下的物体进行探测、定位和测量的设备，被广泛应用于海洋资源勘探、环境监测与保护、水下工程等领域，成为海洋工程建设和维护的重要技术手段之一。
水下机器人系统由感知系统、通信系统、执行机构等组成，其核心是传感系统，目前主要采用声呐探测技术、视觉探测技术和激光测距技术等。
声呐探测技术是一种被动感知设备，其探测深度较浅，而且需要一定的环境条件，如水深、流速等。
视觉探测技术可以将图像转化为数字信号，然后传输到控制系统，进行图像处理和信息融合。
激光测距技术通过测量目标物体与机器人之间的距离，来确定目标的位置、速度和运动轨迹等。
水下机器人技术为海洋资源勘探、环境监测与保护以及辅助施工提供了有力的技术手段，尤其在海底管道检测、水下工程建设及海洋环境监测与保护方面发挥了重要作用。
2.海洋工程中水下机器人技术应用的优势2.1提升水下工作效率在海洋工程中，水下作业的难度和危险性较大，而水下机器人的应用则能够显著提高水下作业的效率。
通过水下机器人，可以快速、准确地完成水下探测、定位、测量等任务，避免了传统水下作业中的人工操作，降低了作业难度，提高了工作效率。
2.2实现自动化作业水下机器人技术可以实现自动化作业，进一步提高了海洋工程的效率和精度。
水域应急救援装备物资配备参考清单
序号装备类型装备名称主要用途1水面救援类防护类水域救援服身体防护2水域救援专业救生衣为救援人员提供浮力，具有快卸部件3水域救援头盔头部和颈部防护4水域救援手套手部防护5水域救援靴小腿部和足部防护6割绳刀快速切割或割除障碍物7高音哨哨声报警和沟通8防水照明灯水域救援作业照明9防水方位灯在黑暗环境中的位置标识10搜救类救生杆为被救人员提供支点11救生圈（球）用于快速抛投给被救人员建立浮力，其技术性能应符合GB/T 4302的要求12救生浮漂为被救人员提供支点13普通救生衣为被救人员提供浮力14水面救援机器人运送被救人员15呼吸面罩为被救人员提供氧气16水域救援抛绳包用于救援人员抛投，增加救援距离，进行拖拽作业17水域救援快速解脱牵引绳可与救援用救生衣的快脱装置配合使用，也可在水域救援中协助拖曳救生艇18水面漂浮救生绳用于水中救援牵引，拖拽被救人员19安全绳用于绳索系统救援，其技术性能应符合XF 494的要求20救生抛投器大跨度救援现场向被救人员抛投救绳索及救生圈等，其技术性能应符合GB/T 27906的要求21可漂浮救生担架被救人员固定及转运、吊运22充气式救援船（艇）、硬底式救援船（艇）运送救援人员与被救人员。
充气式救援船（艇）长度不小于3.8米23舟艇舷外机为救援船只提供动力24舟艇舷外机油箱配合船用外挂机使用提供燃料油25背负式高音扩音器用于救援现场搜索被困人员，发布救援指令26水下救援类防护类潜水气瓶储存高压气体，供潜水员水下呼吸使用27浮力调整器控制水底中性浮力，固定气瓶，连接配件水域应急救援装备物资配备参考清单装备类型装备名称主要用途28水下救援类防护类呼吸调节器将气瓶内的高压气体自动调节至潜水员所在深度相适应的压力，以供潜水员呼吸29全面镜保护潜水员免于呛水，保护眼睛免受水的刺激，并实现水下通话30蛙鞋提供水下前进动力31配重及其配重带增加潜水员的负浮力，帮助下浮32潜水头套头部防护和保温33湿式潜水服身体防护和保温34干式潜水服身体防护和保温35潜水靴足部防护36潜水手套手部防护和防寒保暖37潜水牵引绳直接连接潜水员与信绳员38水中照明灯提供水下照明39搜救类水下声呐对水下目标进行探测、定位和通信40潜水电脑表分析和记录潜水员水下作业情况以及水下深度、温度等变化情况41水下机器人进行水下侦查、水域搜索、水下打捞等作业42破拆类潜水刀用于紧急情况水下破拆43水下破拆工具组在水下进行结构破拆、切割、锚固等44通信类水下通信系统（1）无线通信系统实现水面以下的通信联络，掌握水下潜水员的情况，在需要时及时给予援助；（2）有线通信系统实现潜水员与信绳员的通信联络45冰面救援类防护类冰面救援服用于低温、寒冷条件下救援人员身体防护46干式水域救援服用于救援人员低温环境下穿着，具有防水保暖功能47水域救援头盔（冰域救援型）用于寒冷环境人员头部保暖，减少头部热量散失48水域救援手套（冰域救援型）用于手部防护和保暖，具有耐磨性，增加抓握摩擦力49水域救援靴（冰域救援型）用于小腿部和足部的防护和保暖，具有防滑、防穿刺功能50保温衣裤作为冰面救援服或干式水域救援服的保温内胆，提高御寒能力，延长水中作业时间51冰锥用于增加冰面行进过程中摩擦力，提高人员行动力52冰爪用于救援靴防滑辅助冰面行走，增加作业稳定性53冰镐用于帮助救援人员建立固定支点54搜救类冰面探杆用于行进时探测冰面厚度55冰面救援滑板用于冰面救援人员进行拖带滑行装备类型装备名称主要用途56冰面救援类搜救类充气式冰面救援筏用于冰面救援，人员无需脱离船体，直接进行拖拽施救57充气浮桥用于冰面救援，人员无需脱离船体，直接进行拖拽施救58 冰域救援绳索套装（包括水面漂浮绳、消防安全绳、辅绳、滑轮、安全钩、扁带）用于绳索系统救援，其技术性能应符合XF 494的要求59破拆类机动链锯用于救援人员快速切割扩大冰面作业面积60综合保障类水域救援车（1）运送救援装备；（2）在野外为气瓶充气，为潜水员提供气体支持61应急帐篷用于现场应急指挥与人员休息62集群对讲设备用于现场应急通信63 医疗急救箱（包括心脏外部除颤器、应急药品等）用于抢救心脏骤停人员。
水下机器人百度百科
水下机器人编辑水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。
水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。
无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。
中文名水下机器人时间1953年性质水面设备属性水下运动和作业目录1发展历程▪第一阶段▪第二阶段▪第三阶段2结构功能3应用领域▪安全搜救▪管道检查▪科研教学▪水下娱乐▪能源产业▪考古▪渔业4优缺点▪优点▪缺点5国际发展▪美国▪日本▪欧洲▪中国1发展历程编辑第一阶段从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。
先后研制出20多艘潜水器。
其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。
[1]1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘无人遥控潜水器。
特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。
第二阶段无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期。
1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。
到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。
海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。
载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。
第三阶段1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。
80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出美国的鱼雷型机器人“海人”1号(HR-1)水下机器人，成功地进行水下实验。
[2] 1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。
[3]这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。
3. 水下机器人结构
M´x
M´y
M´z
稳心高 h=Zc-Zg 对于一般水下机器人，水下静稳心高应大于7cm，大型潜艇应大于 30cm。 为了保持平衡，应有 Xc ＝ Xg Yc ＝ Yg 如果Xc ≠ Xg ， Yc ≠ Yg ，则必须重新调整布置，重新进行计算。 如 h=Zc-Zg 小于许可值，亦必须重新调整布置图，进行计算： tg 0=(Xc-Xg)/(Zc-Zg) 要求调整到 0=00～10或1.50 范围内。 以上是第一次近似，平衡后的重量排水量、总布置及型线可以作为 下一次近似的依据，再精确计算各部分重量，逐步近似，直到最后两次 近似结果趋于一致为止。
水下机器人的总体布置
方案设计又称可行性设计。通常是为了满足设计任务书而进行方 案的比较和分析的研究工作。
在方案设计的初始 阶段，设计师首先必须 在分析设计任务书的各 项要求基础上提出实施 步骤，同时运用计算机 辅助设计的现有程序进 行潜水器多方案的设计 要素估算和分析比较， 评价任务书各项要求的 可行性和经济性，最后 可以得出一个或几个可 行的设计方案。
水下机器人的最佳性能准则
耐压壳的密度 耐压壳结构合理性系数 海军部系数 相对载重量
水下机器人的关键技术点
能源 作业 路径规划 定位 声学 避碰 导航 智能 结构优化 材料 回收 。。。
水下机器人的总体布置
初步设计—— 是在方案设计的基础上，当设计方案通过某种形式确定下来后进行的。 因为在这个阶段中，潜水器的主要性能和特性都要被最后确定。由于方 案设计已被确认，因此近似的船体特性、推进系统、操纵控制方式和各 重要的分系统都已被确定并经批准。所以设计师在这阶段中就要绘制潜 水器最基本的图纸。将方案设计的图纸进行比例放大，绘制型线图，修 改总布置草图，进行静水力和重量研究，同时进行流体方面的静力和动 力试验(包括阻力、推进、操纵和适航性试验)；并进行航速和续航力， 动力负荷以及稳性估算和研究；同时应用入级规范和标准进行检验，确 保其安全性。
国外深海多功能开沟机技术现状及进展
海底管道和电缆为维持其自身安全和在位稳定性，免遭拖网渔具等的免遭损害，必须埋设到合理的深度。
海底开沟机是埋设海底管道和电缆的重要设备。
根据开沟成型方式，常用的开沟机技术主要有四种类型：机械开沟法、水利开沟法（喷冲式）、机械和水利结合开沟法、不开沟（管道自埋）进行海底管道埋设法。
根据开沟顺序分类，主要有三种，预开沟法：挖泥船开沟和爆破开挖；后开沟法：水力喷冲开沟机，机械式开沟机，开沟犁；同时开沟：开沟机或者开沟犁边挖边埋。
欧美国家在海底开沟方面研究较早，积累了大量的工程经验，已经形成丰富的开沟设备产业，主要有SMD 公司、IHC 公司、FORUMPerry 等。
我国在海底开沟设备方面起步晚，主要以简易的开沟犁和喷冲式开沟机为主，并且开沟机本身无动力，靠母船拖拽行走，适应水深有限，无法完成深水区域硬质海底的开沟任务。
随着海洋强国战略的推进，我国在海上油气管道和海底电缆铺设以及深海采矿等方面将迎来巨大的机遇和挑战。
海底开沟机的设计和作业需要大量的工程师经验。
张国光、顾林生等人对国外海底开沟机资料进行了调研和评价，并对海底管道开沟机的技术性和经济性做出了分析。
张新明、刘春光、张树森等人对比总结国内外目前常用的一些开国外深海多功能开沟机技术现状及进展株洲中车时代电气股份有限公司 张向阳 郭园园文搜集了目前国外最新的几款开沟机，分为ROV 型开沟机和重型开沟机两类，总结了海底多功能开沟机的研究现状，对海底开沟机设计、研究有重要的参考意义。
1 ROV型开沟机ROV 型开沟机，亦称埋缆ROV ，外形类似ROV 。
顶部有浮力材料，在水中重量轻，接地压强小，最大工作水深在1500m ～3000m ，在水中可以自由飞行，自动化程度高，适合在海底软粘度地区埋设电缆。
对海况要求较低，可以实现不连续作业。
英国土壤机械动力有限公司（SMD ）生产的QT 系列的多功能ROV 型开沟机，从QT300到QT2800均可以搭载多种作业工具包，例如，滑靴底座、射流工具、切割链（单链和多链）、切割盘、压缆器、切削疏浚、岩心钻取和勾缆器等。
基于开源软件Ardusub的水下机器人ROV控制系统
基于开源软件Ardusub的水下机器人ROV控制系统摘要：随着海洋资源开发以及水下领域作业任务的增加，水下机器人在水下作业中发挥着越来越重要的作用。
ROV作为水下作业的重要工具，对运动控制算法要求较高，采用开源软件ArduSub，结合一种模糊串级PID控制算法实现ROV控制系统的设计，重点对ArduSub的特点、适应配置及PID控制算法原理，包含运动和姿态方面进行了阐述，能够良好实现ROV的水下控制。
1引言随着海洋资源开发以及水下领域作业任务的增加，水下机器人在水下作业中发挥着越来越重要的作用。
其中ROV续航持久，成本相对较低，逐渐成为水下作业的重要工具。
ROV工作于水下环境，具有非线性、易受环境影响等特点，对运动控制算法要求较高，同时要求整个控制系统要有较好的实时性和可靠性。
2开源软件ArduSub简介ArduSub水下机器人的控制器是一个完整的开源解决方案，提供远程操作控制(通过智能潜水模式)和全自动的执行任务。
作为DroneCode软件平台的一部分，它能够无缝地使用地面控制站的软件，可以监控车辆遥测和执行强大的任务规划活动。
它还受益于DroneCode平台的其他部分，包括模拟器，日志分析工具，为车辆管理和控制和更高层次的api。
其主要特点在于以下几个方面：反馈控制和稳定性：ArduSub控制器基于多旋翼自动驾驶系统，具有精确的反馈控制，可主动维持方向。
深度保持：使用基于压力的深度传感器，ArduSub控制器可以将深度保持在几厘米内。
航向保持：默认情况下，ArduSub在未命令转动时自动保持其航向。
相机倾斜：通过操纵杆或游戏手柄控制器与伺服或万向节电机进行相机倾斜控制。
灯光控制：通过操纵杆或游戏手柄控制器控制海底照明。
无需编程：ArduSub控制器适用于各种ROV配置，无需任何自定义编程。
大多数参数可以通过地面控制站轻松更改。
兼容性好：ArduSub兼容许多不同的ROV框架，支持PWM输出。
水下机器人百度百科
水下机器人编辑水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。
水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。
无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。
中文名水下机器人时间1953年性质水面设备属性水下运动和作业目录1发展历程▪第一阶段▪第二阶段▪第三阶段2结构功能3应用领域▪安全搜救▪管道检查▪科研教学▪水下娱乐▪能源产业▪考古▪渔业4优缺点▪优点▪缺点5国际发展▪美国▪日本▪欧洲▪中国1发展历程编辑第一阶段从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。
先后研制出20多艘潜水器。
其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。
[1]1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘无人遥控潜水器。
特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。
第二阶段无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期。
1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。
到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。
海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。
载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。
第三阶段1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。
80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出美国的鱼雷型机器人“海人”1号(HR-1)水下机器人，成功地进行水下实验。
[2] 1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。
[3]这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。
【课件】水下机器人ROVppt
3.1.1 概述
水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过 遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去 完成水下作业任务的装置。
水下机器人具有四个基本特点。
(1)可移动性 (2)能够感知机器人的外部和内部环境特性 (3)拥有完成使命所需的执行机构 (4)能自主地或在人的参与下完成水下作业 3.1.2 水下机器人分类及用途
制系统、电缆等构成
目前，随着计算机技术在ROV中的广泛应用，人们将采 用更新型技术，如多媒体技术、临场感技术以及虚拟现实技术， 更形象化地实现对ROV的控制。
任何事物总是一分为二的，ROV的脐带电缆是一个不利因 素，它约束了ROV的活动范围，增加了水面设备的成本，在复 杂环境中尤其迸入复杂结构内部将危害着ROV的安全，因而解 脱这种束缚是各国水下机器人专家追求的目标，这就是自治水 下机器人AUV技术得以发展的理由。
3.3.2 控制方法 底层控制 高层控制
3·3·3 控制系统结构及发展
有缆水下机器人和无绳水下机器人的控制技术既有相同之处， 也有不同之处，但两者的控制机理是相同的。从控制系统结构的角 度来看，它们的底层控制相同，只是高层控制有所不同。
有缆水下机器人 (ROV)控制系统的设备大体上可以分为三部分:
3.1.5 水下机器人关键技术
①能源技术
②精确定位技术
③零可见度导航技术
④材料技术
⑤作业技术
⑥声学技术
⑦智能技术
⑧回收技术
3.2 水下机器人结构 ①载体结构特点 ②推进模式 ③动力供给 ④ 密封及耐压 ⑤ 防腐技术
3.3 水下机器人控制 3.3.1 控制基本类型
ROV操控训练仿真系统v3
编号：201209 —002密级：普通VROV操控训练仿真系统技术方案拟制单位：年月日拟制人：年月日审核: 年月日质量会签：年月日标准化：年月日批准: 年月日共11页北京曼宝科技发展有限公司2012年09 月目录1概述................................................................... 1…2系统简介............................................................... 2..2.1VROV 简介............................................................. 2.2.2系统配置............................................................ 2..2.3综合特性............................................................. 2.. 3系统各组成部分介绍......................................................3.3.1VROV仿真软件......................................................... 3.3.1.1ROV 配置........................................................... 3.3.1.2工作任务包........................................................ .3..3.1.3 ROV工作环境........................................................ 8.3.2 VROV仿真器硬件平台 (9)4使用设备清单........................................................... .101 概述水下机器人是随着现代科学技术的应用需求而建立起来的新一代水下载体潜器。
水下生产系统一般要求和推荐做法标准
4
编号 API 17 A
名称
Petroleum and natural gas industries —Design and operation of subsea production systems：General requirements and recommendations 石油天然气工业水下生产系统设计与操作：一般要求和推荐做法
API 17 B
API 17C
API 17 D
API 17 E
API 17 F
API 17 G
API 17 H
中国海洋石油总公司 API 17 I systems ：Installation of the control umbilical
一、水下生产系统设计标准
DESCRIPTION Surface wellhead and tree equipment Design and operation of subsea systems Materials for H2S Service Flexible pipe TFL systems Subsea wellhead and tree equipment Production control umbilicals Subsea controls Design & operation of completion/workover risers ROV interfaces API Standard Spec 6A RP 17A NACE MR-01-75 RP 17B RP 17C Spec 17D Spec 17E Spec 17F RP 17G RP 17H ISO Standard 10423 13628-1 15156 13628-11 13628-3 13628-4 13628-5 13628-6 13628-7 13628-8
水陆两用破拆工具组技术参数
水陆两用破拆工具组技术参数1. 引言1.1 背景介绍水陆两用破拆工具组是一种多功能的综合工具组合，可以在水上和陆地上进行破拆作业。
随着社会的发展和建设的快速推进，对于破拆工作的需求也越来越大。
传统的破拆工具往往只适用于陆地作业，无法在水中进行操作，这就导致了在水域施工破拆工作的困难和低效率。
为了解决这一问题，水陆两用破拆工具组应运而生。
它集成了破拆所需的各种工具和设备，包括钢锤、电钻、液压锤等，能够适用于各种不同的破拆作业场景。
不论是在陆地上还是水中，都能够快速、高效地完成需要破拆的任务，大大提高了工作效率和工作质量。
水陆两用破拆工具组的问世，不仅解决了水域破拆工作的难题，也为破拆工作的现代化提供了重要的技术支持。
它不仅方便实用，而且安全可靠，受到了广泛的应用和好评。
随着技术的不断进步和创新，相信水陆两用破拆工具组将会在未来有更广阔的发展前景和应用空间。
2. 正文2.1 产品特点水陆两用破拆工具组是一种专门用于在水下和陆地上进行破拆作业的工具组合。
其产品特点如下：1. 多功能性：水陆两用破拆工具组集成了多种不同功能的工具，例如水下潜水器、水下切割器、水下焊接器等，可以满足不同破拆作业的需求。
2. 高效性：水陆两用破拆工具组采用先进的技术，能够快速、高效地完成破拆作业，提高工作效率。
3. 耐用性：水陆两用破拆工具组采用高强度材料制造，具有良好的耐用性和长期稳定性，可以在恶劣环境下长时间使用。
4. 操作简便：水陆两用破拆工具组设计合理，操作简便，不需要复杂的操作技术，适合各种人员操作。
5. 安全性：水陆两用破拆工具组在设计时考虑了安全因素，具有安全防护装置和报警系统，能够保障操作人员的安全。
水陆两用破拆工具组具有多功能性、高效性、耐用性、操作简便和安全性等特点，是一种非常实用和可靠的破拆工具。
2.2 主要技术参数1. 动力参数：水陆两用破拆工具组采用内燃机或电动机作为动力源，电动机功率为XXX千瓦。
海底搜寻机器人概述
海底搜寻机器人概述本文主要就海底搜索机器人的发展现状展开了关于功能应用的讨论，不仅先从功能上分别划分，载人水下机器人和无人水下机器人，并以无人机器人为主体展开叙述，后区分了无人机器人中水下自主车AUV、有缆遥控机器人ROV，并结合国内外的发展成功案例，对其发展前景，驱动方式分析等等方面展开论述，以实现对整个水下搜索机器人有一个较为全面而具体的认识。
1.1海底机器人的具体分类与功能海底机器人是一类在水下环境执行任务的无人机器人，根据其设计、操作方式和应用领域的不同，可以分为多种类型，每种类型都有其独特的功能和应用特点。
以下将详细介绍几种主要的海底机器人类型，并举例说明其在国内外的应用情况。
首先自主水下车（Autonomous Underwater Vehicle），简称AUV，是一种能够自主在水下进行任务的无人机器人，其主要特点和功用包括了自主导航、科学研究、资源勘探等。
较为典型的就是中国科学院南海海洋研究所研制，用于海底地形测绘、水质监测和深海生物学调查——中国自主水下车“海燕号”，是独立规划航行路径和调整运动轨迹，海洋地质调查、水文学研究和海洋生物学研究，收集海洋数据以及样本“一把好手”；还有就是用于海洋生物学和水文学研究，具有长时间的自主运行能力和高分辨率的传感器——美国NOAA的“海豚”（Dolphin）AUV，在此方面的各项能力更趋成熟。
其次是可操作式水下车（Remotely Operated Vehicle，ROV），通过电缆与操作平台连接，由操作员控制执行任务，其主要特点包括：1、能够远程操控：通过电缆传输控制信号，能够在实时监控下进行精确操作和任务执行，例如中国海洋石油总公司使用，主要用于油田的管道和设施维护的“海翼一号”。
2、能够深海探测：能够抵达更深的海底区域，执行需要高精度操作的任务，如海底建筑维护、管道布放和考古挖掘等；例如挪威的“观察者”，它就是用于深海生物学和海底资源调查，配备高清摄像头和多功能机械臂，对该领域的研究提供了参考典型。
海洋工程水下施工中ROV作业工具研究 徐卫星
海洋工程水下施工中ROV作业工具研究徐卫星摘要：近年来，海洋的研究和开发不断深入，水下机器人成为完成各种水下任务的重要辅助性工具，其中以ROV（遥控式水下机器人）为主，被广泛应用于海洋开发领域中。
ROV能够适应安全性差的深海区域，对ROV的性能要求有着较高的要求，需要加大对ROV为载体的通用及专用工具进行开发和利用，以扩大ROV 的作业范围，强化ROV作业功能。
本文重点研究海洋工程水下施工中的ROV作业工具，希望能够为ROV工具及接口未来的设计及使用提供参考性意见。
关键词：海洋工程；水下施工；ROV作业工具前言海洋面积占地球总面积的71%，海洋内部蕴含着丰富的资源。
现阶段，陆地上的资源已经逐渐趋于枯竭，无法满足日益增长的人口使用需要，人们正在寻求开辟海上资源的方法。
我国拥有着辽阔的海域，但是由于技术问题，海洋资源一直未得到有效的开发和利用。
ROV的出现，为开辟海洋资源提供了渠道，展现出来的优势胜过潜水员，具有安全保障高、工作效率高、经济费用低等特点，能够完成潜水员无法涉足区域的检测工作。
因此，加大对ROV作业工具进行研究，了解ROV工具的接口设计方法及使用方法具有必要性。
一、ROV系统概述ROV系统由水上及水下控制系统两部分内容构成，在实际应用过程中，两者通过脐带缆来完成连接。
其中，水上控制系统包括超短基线定位系统和导航定位系统、ROV控制和收放系统、数据采集和处理软硬件系统构成。
水下作业系统包括成像系统、潜航器、水声定位系统及做业工具等构成。
如下着重介绍水下做业系统，其中，成像系统主要是指应用到浅海地区的重要设备，包括声学设备及光学设备，声学设备具有双频识别声呐、图像声呐、避碰声呐等功能。
光学设备包括彩色相机及摄像机等。
潜航器有强度较高的材质制造而成，自身具有良好的防腐蚀性，为ROV水下设备提供浮力及安装平台作用。
ROV在水下完成各种精确的动作主要是借助控制器、推进电机和螺旋桨来完成。
每个潜航器中都具备一套完整的电子控制系统，由接口电路和计算机共同组成，是ROV的核心部分。
水下机器人结构
水下机器人结构随着科技的不断发展，水下机器人结构也在不断演变。
下面，我将对几种常见的水下机器人结构进行简要介绍。
鱼型机器人是一种模仿鱼类外形和游动方式的水下机器人。
这种机器人通常由一个鱼形的外壳和内部的控制系统组成。
它通过模拟鱼的游动方式，可以在水下进行前进、后退、转弯等动作。
鱼型机器人的优点是可以在水中自由行动，但是其结构与鱼的差异较大，难以实现高精度控制。
机械臂型机器人是一种具有可操控机械臂的水下机器人。
这种机器人的机械臂可以对其进行精细的操作，例如抓取、搬运等。
机械臂型机器人的优点是可以在水下进行较为精细的工作，但是其操作难度较大，需要专业的技术人员进行操作。
仿生型机器人是一种模仿生物体结构和运动方式的水下机器人。
这种机器人通常由一个仿生型的外壳和内部的控制系统组成。
它通过模拟生物体的游动方式，可以在水中进行高速、高精度的运动。
仿生型机器人的优点是可以在水中进行高速、高精度的运动，但是其结构较为复杂，制造难度较大。
轮式/履带式机器人是一种采用轮子或履带作为移动方式的水下机器人。
这种机器人通常由一个外壳和内部的控制系统组成。
它通过轮子或履带的移动方式，可以在水中进行前进、后退、转弯等动作。
轮式/履带式机器人的优点是在较为复杂的水下环境中具有较强的适应能力，但是其移动速度较慢。
以上就是几种常见的水下机器人结构。
每种结构都有其独特的优点和适用范围。
在选择水下机器人时，需要根据实际需求和场景来选择合适的结构类型。
随着科技的不断发展，水下机器人已经成为了海洋探索和科学研究的重要工具。
水下机器人的结构设计与其性能有着密切的，而参数优化则能够进一步提升其性能。
本文将探讨水下机器人的结构设计及参数优化。
水下机器人的框架结构是其最基本的部分，它决定了机器人的整体形状和尺寸。
框架结构通常采用轻量化材料，如碳纤维复合材料和铝合金，以减轻机器人的重量，同时还要保证足够的强度和刚度。
推进系统是水下机器人的重要组成部分，它决定了机器人的运动能力和效率。
科技成果——多功能水下机器人
科技成果——多功能水下机器人主要应用领域用于水电站大坝、水库、湖泊、河流、河口、海洋等成果简介LBV系列多功能水下机器人由美国SeaBotix公司制造，分为9个型号，作业水深从150米到600米，小巧轻便、动力强劲，性能优异！可携带水下摄像机、3种机械手、360度扫描声纳、多波束前视声纳、混水影像盒、超声波测厚仪、水下声学定位、爬行器底座等。
操作人员通过控制手柄可以轻松控制LBV在水下的运动，水下影像直接传回水面的LCD显示屏。
针对水电大坝表面的检测，SeaBotix公司专门设计了爬行器底座，带一个吸盘和4个轮胎，安装在水下机器人底部，可以贴住水下任何坚硬平面（水电大坝、船闸表面）爬行，对水下结构（裂缝、脱落、损坏等）进行仔细的检查。
目前是世界唯一一台同时具备游动和爬行2种功能的小型水下机器人。
整套系统包括：水下机器人1个，遥控缆1条，绞盘1个，操控平台1个（自带15寸彩色LCD显示屏）。
主要性能指标一、水下机器人性能指标1、570线/0.2Lux彩色摄像头一个2、430线/0.03Lux黑白摄像头一个3、动力强劲的无刷直流推进器4个或5个4、具备4向运动能力（前进/后退、垂直升降、左右转向、横向平行移动）5、追踪摄像头的高亮度LED光源6、自动定向、自动定深、自动平衡7、水下自由游动或在平面上爬行水下机器人潜器可以选择携带水下摄像头、机械手、360度扫描声纳、多波束前视声纳、混水影像盒、超声波测厚仪、水下声学定位、爬行器底座（吸盘+4轮驱动）8种水下工具，功能强大。
二、高强度遥控缆（150米到750米，不同的耐压深度配备不同长度的遥控缆），直径仅7.6毫米，并自带绞盘。
三、一体化操控平台，自带15寸彩色LCD显示屏。
应用情况目前全世界有500多台LBV水下机器人在水电站大坝、水库、湖泊、河流、海洋等水下环境工作，用于水电大坝检测、水下科学研究、水下观察、水下搜寻、救捞，水下管道观察、水下线路探测、水下安检、船体水下检修、水下工程、水下考古等。
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图 五功能机械手结构简图
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水下手的结构包括底座!摆动臂! 俯仰臂! 伸缩 臂!腕部和夹钳 以及各关节的驱动液压缸 结构部 件全部由铝合金和不锈钢材料制造 各个部件均为 开式结构 易于安装与维修 并为液压管提供空间 其中摆动关节以销轴连接 在连接处以非金属材料
作为水下轴承 以减小阻力 并降低电位腐蚀 伸缩 关节为滑动关节 在滑动导轨上也以非金属材料作 为支承元件
开关式机械手的所有控制功能均由控制盒上的 开关和操纵单杆实现 机械手的工作状态由控制盒 上的指示灯显示 通过操纵单杆及开关控制其每个 关节分别运动
图 所示的五功能机械手是一套结构紧凑 重 量轻 负荷能力大 开关控制的机械手系统 该五功 能机械手的总体结构包括控制盒 水下手 液压阀箱 与水下控制器 液压系统及管路 水下手具有 个自 由度和 个夹持功能 全部由控制盒上的操纵单杆 和开关进行控制 该五功能机械手具有摆动! 俯仰! 伸缩及腕转四个关节和一个夹持功能 各关节均为 开关控制方式 结构形式见图
图 六功能机械手从手示意图
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机械手各个臂的驱动部件是双杆双作用的直线 液压缸 缸体安装在机械手的臂上 活塞杆连接到下 一个臂的驱动轴上 能使下一个臂进行一定范围内 的回转运动 在直线液压缸的内部装有直线电位计 反馈活塞杆的位置 电位计的电缆通过一根充油的 软管连接到阀箱上 将反馈信号传给控制系统
六功能机械手的从手每个自由度均为位置伺服 控制 从手的结构包括底座! 肩部! 大臂! 小臂! 腕部 和夹钳 液压缸安装在各个臂的中间 腕部回转以一 个安装在腕部基座上的低速大扭矩液压马达驱动 夹钳由一组在腕部回转套上的液压缸驱动 带动连 杆机构 完成平行的开闭运动
腕部是用一个安装在腕部基座上的回转液压马 达带动腕套和夹钳进行回转 内部装有回转电位计 作为位置反馈 夹钳为一个直线液压缸驱动连杆机 构带动两个钳指完成平行的开闭运动 没有位置反 馈
主从式水下机械手采用主从操作方式进行工 作 所有控制功能均由操作控制盒上的功能开关和 主手实现 主手与水下机械手是同构配置的 它的各 个关节与水下机械手的各个关节是一一对应的 其 结构尺寸很小 可以握在手中 机械手的工作状态由 指示灯来指示 通过操纵主手及功能开关来控制水 下机械手各个关节的运动
图 所示的六功能机械手是一套结构紧凑 重 量轻 速度快 主从操作位置伺服控制的关节式机械 手系统 从手的 个功能为肩转! 肩摆! 肘摆! 腕摆!
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1 引言 Ιντροδυχτιον
目前人类开发和利用海洋得到了迅速地发展 海洋石油开发! 深海矿产资源开采! 科学考察! 救助 打捞和军事用途所涉及的海洋工程日益增多 所有 这些 都需要完成很多重要的水下工作 现今我国的 水下工程作业大多由潜水员完成 随着人员价值的 不断提高和作业水深的加大 水下机器人在海洋工 程和救助打捞中起到越来越重要的作用 水下机器 人的基本配置是一个配备各种传感器的水下运动载 体 其水下作业任务的实现需通过各种通用和专用 的水下工具完成 结合各种水下任务而实现的水下 工具是实现作业目标的关键
3 通 用 水 下 工 具 Γ ενεραλ τοολσ φορ
υνδερωατερ ροβοτ
由原子能遥控操作手技术发展起来的水下机械 手 在近年来已成为很普遍的技术了 据统计 的水下机器人至少都装有一只机械手 通常的作业 型水下机器人的前端一般都装有两个机械手 一只 手较灵活 作业精度高 自由度相对多些 而另一只 手较简单 但臂力大 能可靠地实施机器人水下悬浮 作业的定位功能 并可兼顾部分作业任务 另外机械
力作用也明显增加 试验表明 若以
转Ù分的速
度在水中空转 只有 Ù 的功率用于有效工作 其余
都消耗在克服粘滞阻力上了 但使用较硬的钢丝 即
使刷具以较低的转速旋转 也可达到理想的清刷效
果 综合考虑 清洗刷应采用低于 转Ù分的转速
比较适宜
清洗刷由前框架!刷具装置组成 刷具装置有清
机器人
年月
洗刷! 液压马达及刷具的可调支撑装置构成 见图
运动方式
动力形式
工具名称
用途
旋转型
摆线马达Biblioteka 清洗刷 水下结构物清洗高速马达
砂轮锯 水下切割和打磨
低速马达
水下钻具 钻眼!攻丝
直线型
直线油缸
剪切器
钢缆切割
夹持器
沉物打捞
冲击型 冲击油缸和马达 破碎锤
岩石破碎
冲击扳手 螺栓拧紧和松开
往复油缸和马达 冲洗枪
沉积物清除
水下工具作为深水遥控作业的专用施工工具 具有易于操作! 能承受较高的海水压力! 耐海水腐 蚀! 重量轻! 体积小等特点 水下作业工具包一般都 采用液压系统作为动力驱动系统 水下机械手与水 下工具共同使用一个液压源和控制装置
多功能作业工具包是水下机器人工作系统的核 心 没有它 水下机器人充其量只是个观察台架而 已 因此 水下机器人的作业工具包从五十年代末期 第一次应用在 ≤ ∂ 2 水下机器人时起 便得以迅 速发展 特别是近十年来军事方面的用途和海洋石
油开发的需求加大 进一步促进了作业工具包的发 展 由于携带水下作业工具包 使水下机器人扩大了 使用范围 增强了实用性
4 专用水下工具 Σπεχιαλ−πυρποσε τοολσ φορ
υνδερωατερ ροβοτ
专用水下工具主要完成一些特定的水下作业 如用于水下军事装置和平台表面进行高效! 连续清
洗的水下清洗刷 可在水下对钢丝绳及铠装电缆进 行切割的液压剪切器 用于打捞某些圆柱形水下沉 物的夹持器 用于水下设施各种表面清除沉积物工 作的海水冲洗枪 用于水下金属表面打磨!钢筋切断 的砂轮锯等等 4 1 救助!打捞专用工具
手各关节需要可靠的密封 运转灵活 3 1 机械手的类型
水下机械手按操作方式一般可分成主从式和开 关式 主从式机械手是把水下机械手当作从动手 另 设一个与从动手自由度配置相同 尺寸成一定比例 关系的主动手 操作者操动主动手 由于采用位置2位 置型伺服系统 主动手的瞬时动作被从动手复映 主 从手的位姿保持空间对应 开关式机械手是当开关 接通后 动作的传动机构以一种固定的或受到控制 的速度进行运动 它通过电磁阀的开关来控制机械 手的运动方向 开关式机械手较主从式机械手结构 简单 价格低 容易操作和维修 所以得到了广泛的 应用 3 2 开关式水下机械手
2 多功能作业工具包 Μ υλτι−φυνχτιοναλ τασκ
ωορκ παχκαγ ε
多功能作业工具包主要分通用水下工具和专用 水下工具两种
通用水下工具一般是指适应多种水下作业任务 的水下工具 通常是指水下机械手 目前所有作业型 水下机器人都装备 ∗ 只水下机械手 同时水下机 械手作为一些水下工具的安装基座 扩展了水下工 具的工作空间
海水冲洗枪 海水冲洗枪是一种低压水力喷射式水下作业工 具 喷嘴出口处压力 ° 左右 它主要用于水下 设备表面覆盖泥浆的清除工作 海水冲洗枪的工作 原理是通过双作用液压油缸活塞杆的往复运动 使 海水加压缸的海水增压到规定压力值 然后经喷嘴 把具有一定压力和速度的海水喷射到需要清理的物 体表面上 去掉其上的各种污物 海水冲洗枪主要由 一个双作用液压油缸! 海水加压缸! 进水单向阀! 排 水单向阀!安装座! 喷嘴等组成 双作用液压油缸与 海水加压缸的缸体做成一体 海水加压缸的两个腔
专用水下工具主要是完成一些特定的水下作 业 可用来扩大水下机械手的作业能力和效率 专用 工具按运动方式可分为旋转型!直线型和冲击型 具 体分类如下
Ξ 收稿日期
第 卷第 期
滕宇浩等 水下机器人多功能作业工具包
表 1 专用工具分类 Ταβλε 1 Χατεγ ορψ οφ τηε σπεχιαλ−πυρποσε τοολσ
第 卷第 期 年月
文章编号
2
22
机器人 ΡΟΒΟΤ
∂ √
水下机器人多功能作业工具包Ξ
滕宇浩 张 将 刘 健
中科院沈阳自动化所 沈阳
中科院研究生院 北京
摘 要 本文首先阐述了水下机器人作业工具包的重要性 重点研究了水下机械手的原理!功能及两种主要结
构 并以沈阳自动化所研制的缆控水下机器人为背景 讨论了水下作业工具包的一些专用工具的原理及其结构
关键词 水下机器人 工具包 机械手
中图分类号 × °
文献标识码
Μ Υ ΛΤΙ−ΦΥ ΝΧΤΙΟΝΑΛ Τ ΑΣΚ Ω ΟΡ Κ ΠΑΧΚ ΑΓ Ε ΦΟΡ Υ ΝΔ Ε Ρ Ω ΑΤΕ Ρ Ρ ΟΒΟΤ
× ∞ ≠ ∏2
Σ ηενψανγ Ι νστιτυτε οφ Α υτομ ατιον Χηινεσε Α χαδ εμ ψ οφ Σ χιενχεσ Σ ηενψανγ Γ ραδ υατε Σ χηοολ οφ τηε Χηινεσε Α χαδ εμ ψ οφ Σ χιενχεσ Β ειϕινγ
滑环式密封圈和方向式密封圈 为减轻重量 除少量 轴外 夹持器绝大多数零件都是采用防腐性能好的
⁄ 铝合金材料制成 水下轴承则由水下润滑性能 较好的非金属材料制成 夹持器通过联结梁安装在 潜器底架的两个槽铝上
图 夹持器结构图
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缆绳释放器 缆绳释放器是一种无动力型水下打捞工具 不 受液压系统和控制系统控制即可作业 它可用于打 捞各种带有起吊环的水下沉物 缆绳释放器的工作 原理是采用内抽头式放缆 实现了缆绳无动力驱动 且无机械零件动作的由里层到外层的自动释放 缆 绳释放器主要由左法兰! 右法兰! 支撑套! 回转支撑 轴!手柄!缆绳和弹簧碰钩等组成 且具有缠绕和释 放两种状态 4 2 水下清洗工具 水下清洗工具是利用钢丝刷或喷射高压水流 将附着在船体 海底设施或钻井平台上的海洋生物 或锈蚀清洗掉