水下机器人推进系统综述

摘 要：

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(AU V)；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：A MESim、Matlab等，

其中A ME Sim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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水下机器人研发

员需要考虑的问题。

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