水下机器人推进系统综述

水下机器人推进系统综述

作者：王重凯尹辉林鑫涌赖寿荣

来源：《珠江水运》2019年第14期

摘要：随着科技的发展，水下机器人的性能越来越智能化，应用的领域也越来越广泛。本文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（AUV）；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“海星號”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：AMESim、Matlab等，其中AMESim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、噪声低。缺点是：在推进器的进口不设隔栅，容易进入杂物，设了隔栅也会增加航行时的阻力；成本较高。泵喷推进器应用在潜艇、鱼雷等

5.磁流体推进器

基本原理是电磁作用，具体说就是海水通过进水口进入推进器内，之后通过安装在机器人设备上的电极在海水中施加电场并产生电流，通电海水由于洛伦兹力的作用，海水由出水口向船尾方向喷射，由作用力与反作用力的原理来驱动机器人。该推进方式的优点：安静可靠、隐蔽、灵活。

6.仿生推进器

仿生推进的推进方式已成为水下航行器的新方向。海洋生物越来越受人们关注，海洋生物经过长时间的进化，自身在水下具有良好的能动性，可以在中狭小的空间进行灵活的运动。科学家通过观测海洋鱼类，结合鱼类的运动特点，将这些特点运用到水下航行器中，研发出可以灵活运动并且所受阻力小的仿生水下机器人；通过研究分析鱼鳍的摆动振幅与频率，运用到水下机器人中，可以更好的提高推进速度和推进效率。在研究仿生机器人的过程中，研究人员采用杠杆和活塞等机构实现仿生运动，虽然这种方式与传统螺旋桨推进相比较有很大的推进效率，但是，这些仿生机构很难实现如海洋生物般的柔性运动，相比之下有很大的缺陷。近年来，智能材料发展迅速，如记忆合金和纳米碳复合材料等智能材料，研究人员将智能材料运用到仿生机器人中，研发出了新型的仿生机器人。新型仿生机器人更加容易的模仿出生物复杂的柔性运动。现阶段研究人员对新型仿生机器人的驱动和控制不够成熟，所以在今后的研究中，如何利用智能材料的优点，并把它运用到机器人中，继而提高驱动效率，成为研究的一个重点。

7.履带式推进方式

采用电机带动履带继而驱动机器人的方式。一般采用履带推进方式的机器人都安装相互独立的电机。采用了履带的水下机器人，多用于贴底作业，以及复杂水底地形作业。这种推进方式的优点是：具有良好的越障能力。

8.步行式推进方式

步行式推进也类似与仿生推进，根据螃蟹、蜘蛛等生物的爬行方式而研发出的推进方式。在步行推进方式中，如何设计驱动关节之间的连接成为研究的一个重点，比如要考虑传动时的传动效率，以及传动关节的自锁能力。这种推进方式的优点是：对一些水下未知的情况和环境适应性较强，可以根据调整步态规划实现在复杂水底行走。目前步行式水下机器人有“四足、八足”等类型。比如加拿大研发的仿生四足机器人SCOUTⅡ。

9.混合推进方式

混合推进技术即不局限于在机器人上安装一种推进方式，可以通过安装多种推进设备对机器人的推进功能进行补缺，使之更加完善，拥有更加优异的推进效果。这种推进方式的优点是：可以保持机器人工作时的低速稳定性；具有较高的推进效率。比如日本研发出的柔性长鳍尾舵联合操控潜航器采用了螺旋桨和仿生推进两种推进方式。

本文主要对当下水下机器人的推进装置的类型和技术进行叙述。鉴于科技的发展以及人工智能的进步，水下机器人进入新得发展阶段。在设计水下机器人时，要充分考虑对驱动方式的选择，选择并设计出最适合的推进方式。水下机器人的发展带给人们许多便利，应用与安全搜救、科研探索等领域。水下机器人推进装置的发展，推进海洋资源和科研的探索和研究，在很大程度上促进了海洋事业的发展和崛起。未来的水下机器人的发展会怎样？应该是水下机器人完全自主执行任务？还是使用机器人在水下航行但科学家在不断的监控机器人状态？不管怎样，高效率的推进是水下机器人研发人员需要考虑的问题。

资助项目：大学生创新创业训练项目（CXXL2019031）、广东海洋大学本科生创新创业团队（CCTD201812）

参考文献：

[1]李弘哲，水下机器人发展趋势[J]，电子技术与软件工程2017（6），93-93

[2]韦荣伟，水下机器人发展趋势及前景[J]，现代制造技术与装备2018（2），175-176

[3]程鹏，贺波，集成电机泵喷推进器应用于水下机器人探讨[J]，广东造船2014（3），50-52