【机器人研究】智能移动作业机器人类型之一:水下机器人发表时间：2024-07-12 14:03 “ 西交智造9656峰会聚集全球西安交通大学从事高端装备、智能作业机器人、智能设备和智能制造等领域的优秀校友企业和行业企业资源。”
一、 水下机器人种类繁多，按照使用方式和功能可分为以下几类：
1. 载人潜水器（HOV）：载人潜水器相当于小型潜水艇，可运载工作人员进入深海，操作机械手开展各种复杂的水下考察、打捞、采样等活动。例如我国的“蛟龙”号载人潜水器，最大下潜深度达7062米。
1）“蛟龙”号载人潜水器概述“蛟龙”号载人潜水器是一艘由中国自行设计、自主集成研制的载人潜水器。它是中国首台自主设计、自主集成研制的作业型深海载人潜水器，设计最大下潜深度为7000米，也是目前世界上下潜能力最深的作业型载人潜水器。蛟龙号可在占世界海洋面积99.8%的广阔海域中使用，对于中国开发利用深海的资源有着重要的意义。 2）“蛟龙”号载人潜水器的成就与功能“蛟龙”号载人潜水器在2012年创造了下潜7062米的中国载人深潜记录，并且在2013年交付应用至今，共下潜278次，执行矿区勘探、生态调查和深渊科考等计划，成果丰硕，影响深远。它的工作范围可以覆盖全球海洋区域的99.8%，代表着深海高技术领域的最前沿。 “蛟龙”号载人潜水器的主要技术特点包括：在世界上同类型的载人潜水器中具有最大下潜深度7000米；具有针对作业目标稳定的悬停定位能力；具有先进的水声通信和海底微地形地貌探测能力；配备多种高性能作业工具。它的主要技术指标包括：长宽高为8.2米×3.0米×3.4米；空气中重量不超过22吨；有效负载220公斤（不包括乘员重量）；最大下潜深度7000米；速度为最大2.5节，巡航1节；载员3人；生命支持，正常：3×12人时，应急：3×84人时；正常水下工作时间12小时。 3）“蛟龙”号载人潜水器的国际合作2024年4月14日至17日，“深海一号”船停靠佛得角圣维森特岛明德卢市码头期间，中国大洋事务管理局和中国驻佛得角大使馆共同举办了以“促进中-佛海洋交流、构建海洋命运共同体”为主题的中国-佛得角蛟龙号载人潜水器开放日暨海洋合作交流活动。双方一致认为，中佛两国建交48年以来，两国友谊持续巩固深化，各领域务实合作成果丰硕，双方在海洋经济、基础设施建设、旅游业等领域合作前景广阔。双方应在“海洋十年”框架下借助佛得角的地理区位优势持续开展科研合作和交流，共同打造海洋科技、气候变化与学术交流的国际化平台。 综上所述，“蛟龙”号载人潜水器是中国深海探索的重要标志，它的自主设计和集成制造体现了中国的科技实力和技术水平。通过不断的深潜作业和国际合作，“蛟龙”号不仅推动了深海科学研究的进步，也为人类更好地认识和保护深海环境做出了重要贡献。 2. 自治水下机器人（AUV）：AUV没有缆绳，自身携带动力，依靠内置的控制系统来自我控制，可以灵活自主地完成一系列水下作业任务。AUV具有活动范围广、潜水深度大、可穿梭进入复杂结构、无需水面支持等优点，代表了水下机器人技术的发展方向。
AUV的应用领域1）军事应用在军事领域，AUV可用于侦察、布雷、扫雷、援潜和救生等任务。例如，美国和挪威等国家正在加紧研究AUV在水雷搜索中的应用。 2）民用应用在民用领域，AUV可用于铺设管线、海底考察、数据收集、钻井支援、海底施工，水下设备维护与维修等。
3）科学研究AUV也是一个理想的传感器及观测设备平台，可以通过配置不同类型的观测设备完成海洋矿产资源和海洋生物资源等的调查。 3. 有缆水下机器人（ROV）：ROV为国内水下机器人市场主流产品，应用最为广泛。根据移动方式不同，ROV可分为拖曳式、移动式等。ROV通过缆绳与母船连接，操作人员在上层控制室进行遥控，可进行水下观察、调查、采样、维修等任务。
ROV和岸上控制系统通过浮力电缆连接，操作人员利用自主开发的ROVControl水下机器人控制软件，控制机器人航行，并可实时采集录制水下视频实现深水观测。此外，水下机器人可选配机械手，完成对水下目标物的抓取、释放等动作，还可选择搭载各种传感器，对水下多物理参数进行科学观测。
ROV在海洋环境监测、海洋资源勘察开采等方面发挥重要作用，可用于水下成像、水底打捞、捕鱼、鱼群探测、探测海底地貌、船舶导航、水下作业、水文测量、海洋资源勘探、海洋救险与打捞等方面。随着技术的发展，ROV的应用潜力巨大，产业链正逐渐形成
4. 仿生水下机器人：仿生水下机器人模仿生物形态和功能，具有良好的水动力学性能和操控性。这类机器人可用于水下探险、生物观察、环境监测等任务。
仿生水下机器人的研究进展1）动力学模型与游动性能深圳大学的巩伟杰老师团队基于胸鳍/尾鳍协同推进模式，采用叶片理论及基于伯努利原理和机翼理论，分别建立了机器海豚的胸鳍和尾鳍的运动学模型和动力学模型。这种模型结构简单，计算量小，便于进行动力学仿真和试验。试验结果中，不同模式下结果与仿真结果相吻合。 试验验证了这种胸鳍/尾鳍协同推进的动力学模型的有效性，并证明了胸鳍/尾鳍协同推进能提高机器海豚的游动性能，在相同摆频条件下，尾鳍产生主要推进力。 这项研究有助于进一步认识和研究海豚的运动机理，从而提高机器海豚的游动性能。
2）仿生水下机器人的应用前景水下机器人的研究意义在于，浩瀚的海洋中蕴含有丰富的生物资源、矿产资源和能源，人类在水下环境中进行生产、科研等活动越来越频繁，水下任务的要求也不断提高。人工操作的方式从成本、安全性、效率上逐渐不能满足复杂水下任务的要求。仿生水下机器人作为一种可在水中移动，具有一定感知能力，可辅助或代替人类完成多种任务的高技术装备，在海洋研究、海洋开发、海洋环境保护等领域具有重要的应用价值。未来发展方向为自主化、智能化、协同化。
5. 微型水下机器人：微型水下机器人体积小、重量轻，适用于水下微小目标的探测、观察和操作。它们在水质监测、水下搜救、生物观察等领域具有广泛应用前景。
6. 水下机器人集群： 水下机器人集群是由多个水下机器人组成的系统，这些机器人可以通过通信网络协作完成任务。它们可以在海洋环境中执行各种任务，如环境监测、作业管理、科学研究等。水下机器人集群的组成包括多个水下机器人、通信网络和控制中心。水下机器人之间通过特定的通信协议进行通信，以确保通信的可靠性和有效性。它们可以根据任务需求进行配置，搭载多种传感器和设备，具有高度的灵活性和适应性。
一）应用领域1）环境监测美国加州圣地亚哥大学斯克里普斯海洋学研究所的研究人员研制出一种能用于监测周围海洋环境的水下机器人，称为“微型自动水下机器人”(M-AUE)。这种机器人可以通过调节浮力来调整自己所处的位置，并通过温度、声学信号等传感器来监测海洋环境。例如，研究人员将16个M-AUE水下机器人部署在水下10米深的一片海域中，通过声学信号每隔12秒收集关于它们轨迹的信息，以验证浮游生物利用海洋的物理动力学大规模聚集在一起的行为机制。
2）渔业作业水下机器人集群在渔业作业中也有广泛的应用。它们可以执行连续长时间的工作，提高作业效率；可以在危险或难以到达的区域进行作业，提高安全性；通过传感器采集数据，准确性高，可以重复执行任务，确保数据一致性；可以根据任务需求进行配置，灵活性高。 3）科学研究水下机器人集群为科学家们提供了一种非凡的新工具来研究洋流及其运输的微小生物。未来，研究团队希望部署大量水下机器人群来研究海洋保护区之间的幼虫运动，监测有害的红潮，并帮助跟踪漏油情况。这些水下机器人群还可以像海洋中的巨大“耳朵”一样，听取和定位海洋中的环境声音，有助于我们更深入了解海洋中的物理-生物动力学。 二）技术挑战
1）通信与定位技术水下环境中通信具有特殊挑战，如信道衰减、噪声干扰和多径传播。因此，常用的水声通信方法包括窄带调频通信、扩频通信和光纤通信。而水下定位技术主要包括惯性导航、声学定位和视觉定位，每种技术都有其准确性和鲁棒性的问题。为了提高定位精度和鲁棒性，多传感器融合定位技术将惯性导航、声学定位和视觉定位相结合。
2）协作控制策略水下机器人群体通过协商机制，根据任务目标和环境信息，协商制定行动计划，实现群体决策。协商过程通常涉及决策者之间的信息交换和协商谈判，以达成共识或解决冲突。基于角色的协作提高了群体的任务分工和资源利用效率。此外，分布式控制架构使每个机器人独立执行计算和决策任务，提高了群体的自主性和适应性，降低了对集中式控制节点的依赖。
3）自主决策与控制人工智能技术的进步提升了机器人感知和决策能力。自主导航与避障技术使机器人能够实现自主导航和避障，提高任务执行效率。协作任务执行使得集群协作完成复杂任务成为可能，例如环境勘探、深海救援等。 水下机器人集群是一个复杂而先进的技术系统，它结合了多个领域的知识和技术。随着科技的发展，我们可以期待它在未来发挥更大的作用，并为我们提供更多的可能性。
二、水下机器人发展前景水下机器人，作为一种在水下环境中工作的高科技设备，因其能够在人类难以到达或危险的区域执行任务而具有广阔的应用前景。
1、市场规模与增长潜力据资料显示，我国近年不断加大水下机器人研发投入，已成为全球水下机器人产量最多的国家，销量也位列前茅，占据全球25%以上市场份额。预计至2025年，我国对水下机器人的需求还将扩大2-3倍，市场潜力正在不断释放，未来前景广阔。目前，我国水下机器人市场规模在580亿元左右，而在未来的2-3年后，还会有2-3倍的增长空间。 2、应用领域的扩展水下机器人最初主要用于军事、科学研究等领域，但随着技术的进步和应用的深化，它们的应用范围已不断扩大。如今，水下机器人已被广泛应用于海洋勘探、鱼类养殖、水下巡检维护、搜救、消费娱乐、军事、教育等多个领域。 3、技术创新与性能提升随着技术的不断进步，水下机器人的性能将不断提高，应用范围也将不断扩大。未来的水下机器人将向着体积更小、兼容性更强、智能化程度更高的方向发展，以突破设计中的障碍，并大幅提高其自动化程度。 4、政策支持与标准化发展中国政府已出台多项政策支持水下机器人行业的发展，包括《中国制造2025》、《机器人产业发展规划(2016-2020年)》等，这些政策从行业标准、国家扶持政策环境等多方面进行部署，为中国水下机器人行业未来发展空间提供了保障。 5、教育与人才培养水下机器人专业的设立和职业教育技能大赛的举办表明，国家对水下机器人领域的人才培养给予了重视。这有助于推动该行业的发展和创新，为未来的技术进步和市场扩张打下坚实的基础。 综上所述，水下机器人发展前景乐观，不仅在市场规模和增长潜力方面显示出巨大的吸引力，而且在技术创新、应用领域扩展、政策支持和人才培养等方面都显示出强劲的发展势头。随着技术的不断进步和社会对海洋资源开发需求的增加，水下机器人技术有望在未来实现更大的突破和发展。 上一篇公司官网更新公告
|
