王天玥，李喆慶，張富立，司雨明

（1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作天津中心，天津300304；2.天津大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，天津300072）

水下機(jī)器人在各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，在軍事領(lǐng)域，水下機(jī)器人由于其智能化程度高、隱身性能好，具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力，可以進(jìn)行海上和水下偵查；在民用領(lǐng)域，水下機(jī)器人可以打撈失事艦船和清理航道。按照艙體內(nèi)是否載人，水下機(jī)器人可分為載人水下機(jī)器人和無(wú)人水下機(jī)器人。載人水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)機(jī)器人艙體制造要求較高，并且制造昂貴。在發(fā)生事故時(shí)，操作人員生命安全難以得到保證。隨著傳感器和通訊控制系統(tǒng)的不斷完善，無(wú)人水下機(jī)器人因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低廉，越來(lái)越受到青睞。按照與水面母船有無(wú)線纜連接，水下機(jī)器人又可分為有纜機(jī)器人(ROV)和無(wú)纜機(jī)器人(AUV)。有纜機(jī)器人因其受到線纜的控制，作業(yè)范圍有限，但其不存在續(xù)航能力不足問(wèn)題。然而，海洋環(huán)境是一個(gè)多變復(fù)雜的系統(tǒng)，雖然無(wú)纜機(jī)器人作業(yè)范圍大、適應(yīng)能力較強(qiáng)，但因攜帶能源有限，其發(fā)展受到了續(xù)航能力的制約。

為了提高無(wú)纜水下機(jī)器人的續(xù)航能力和水下操作能力，水下滑翔機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。水下滑翔機(jī)器人（Autonomous underwater glider，簡(jiǎn)稱(chēng) AUG）是一種將浮標(biāo)、潛標(biāo)技術(shù)與傳統(tǒng)水下機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合而研制出的一種新型無(wú)人水下機(jī)器人，它具有無(wú)外掛推進(jìn)系統(tǒng)，能依靠自身浮力驅(qū)動(dòng)沿鋸齒型航跡航行，具有較低的制造成本和維護(hù)費(fèi)，且投放回收方便、能源消耗少、續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以用于長(zhǎng)時(shí)間、大尺度的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、大范圍調(diào)查和監(jiān)測(cè)，應(yīng)用前景十分廣闊[1]。

在航行過(guò)程中，水下滑翔機(jī)器人以自身浮力作為航行動(dòng)力，沒(méi)有外掛螺旋槳推進(jìn)，只通過(guò)自身浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)載體自身浮力，實(shí)現(xiàn)正浮力和負(fù)浮力之間的浮力變換，進(jìn)而提供上浮和下潛的動(dòng)力，同時(shí)，在其自身浮力與滑翔翼的相互作用下，產(chǎn)生持續(xù)的水平滑翔速度。此外，水下滑翔機(jī)器人重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整內(nèi)部的質(zhì)量分布，改變自身重心與浮心相對(duì)位置，產(chǎn)生橫滾力矩和俯仰力矩，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)[2]。

1989年，美國(guó)人Henry Stommel提出了采用一種能夠在水下作滑翔運(yùn)動(dòng)的浮標(biāo)進(jìn)行海洋環(huán)境調(diào)查的設(shè)想，這就是水下滑翔機(jī)器人的最初概念。自1995年以來(lái)，美國(guó)又陸續(xù)研制出了SLOCUM(Battery)、Sea-glider和Spray等多種以二次電池為推進(jìn)能源的水下滑翔機(jī)器人，以及以海洋垂直剖面的溫差能作為驅(qū)動(dòng)能源的Slocum水下滑翔機(jī)器人。此外，美國(guó)的Prinston大學(xué)建造了一個(gè)AUG試驗(yàn)平臺(tái)，主要用于AUG的建模和控制方法研究[3]。我國(guó)水下滑翔機(jī)器人研究起步較晚，但近年來(lái)有多家單位開(kāi)展了大量的研究工作，在水下運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研究方面也取得了一定進(jìn)展，2005年，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所在國(guó)內(nèi)首次提出一種水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以其為代表研制的AUG成功進(jìn)行了湖上試驗(yàn)，并在2006年通過(guò)驗(yàn)收，具有較高的技術(shù)水平[4]。國(guó)家海洋技術(shù)中心等多所院校也在今年開(kāi)展了水下滑翔機(jī)器人的相關(guān)研究，并取得了很大進(jìn)步。本文主要介紹水下滑翔機(jī)器人的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，并從專(zhuān)利分析的角度對(duì)水下滑翔機(jī)器人的專(zhuān)利申請(qǐng)狀況進(jìn)行分析，得出該領(lǐng)域技術(shù)熱點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，并展望未來(lái)水下滑翔機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相關(guān)專(zhuān)利的申請(qǐng)情況

在國(guó)際專(zhuān)利分類(lèi)表中，通水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)比較相關(guān)的分類(lèi)號(hào)主要包含在大組B63G 8/00（水下艦艇）、小組B63G 8/14（姿態(tài)或深度的控制）、B63G 8/22（用水壓艙調(diào)節(jié)浮力）和B63G 8/24（自動(dòng)深度調(diào)整裝置；用于增大浮力的安全裝置）中。有時(shí)也會(huì)分到大組B63C11/00（水下居住或作業(yè)設(shè)備；搜索水下物體的裝置）、小組B63C11/52（其他類(lèi)目不包含的專(zhuān)門(mén)適用于水下作業(yè)的工具）和B63C11/48（搜索水下物體的裝置）中。

本文使用中文摘要數(shù)據(jù)庫(kù)作為基本數(shù)據(jù)來(lái)源，以 B63G 8/00、B63G 8/14、B63G 8/22、B63G 8/24、B63C11/00、B63C11/52、B63C11/48 等分類(lèi)號(hào)，以及“滑翔”等關(guān)鍵詞進(jìn)行限定，得到樣本數(shù)據(jù)。截止到2017年6月23日，檢索到國(guó)內(nèi)關(guān)于水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量達(dá)到了209件。

1.1 專(zhuān)利申請(qǐng)量年度分布

將2000年至2016年期間的專(zhuān)利申請(qǐng)量，以一年為統(tǒng)計(jì)單位，繪制水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的專(zhuān)利申請(qǐng)量年的分布情況（參見(jiàn)圖1）。

圖1 專(zhuān)利申請(qǐng)量年的分布情況

由圖1可以看出，從2000～2016年，水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量總體上呈逐年增加的趨勢(shì)。其中，2000～2005年申請(qǐng)量增長(zhǎng)較為緩慢，基本上處于半停滯、半申請(qǐng)的態(tài)勢(shì)，這與國(guó)內(nèi)對(duì)水下機(jī)器人需求有關(guān)，同時(shí)，國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人工業(yè)發(fā)展也較為緩慢。2006～2016年申請(qǐng)量迅速增長(zhǎng)，隨著我國(guó)對(duì)深海試驗(yàn)、南極科考等大規(guī)?？蒲泄ぷ鞯耐七M(jìn)，國(guó)內(nèi)各大高校如中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、哈爾濱工程大學(xué)廣泛開(kāi)展水下機(jī)器人的研究工作，且相關(guān)機(jī)器人公司在國(guó)內(nèi)也如雨后春筍般發(fā)展起來(lái)。

1.2 主要申請(qǐng)人統(tǒng)計(jì)情況

國(guó)內(nèi)水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)專(zhuān)利申請(qǐng)量排名前九名的申請(qǐng)人見(jiàn)圖2，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、浙江大學(xué)、天津大學(xué)申請(qǐng)量占據(jù)了總申請(qǐng)量的前三名。其中，前九名中出現(xiàn)了兩家研究所，七家高校，但是國(guó)內(nèi)主要從事水下機(jī)器人研究制造的企業(yè)并未出現(xiàn)，這也進(jìn)一步反映了我國(guó)水下滑翔機(jī)器人尚處于科研探索和科學(xué)研究階段，正在從科研院校逐步走向應(yīng)用，實(shí)際大規(guī)模投入到海洋救助和深海探測(cè)工作，仍需時(shí)日。

圖2 主要申請(qǐng)人統(tǒng)計(jì)情況

1.3 主要研究熱點(diǎn)分布

國(guó)內(nèi)水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要研究熱點(diǎn)分布圖如圖3所示?？梢钥闯?，水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的專(zhuān)利申請(qǐng)主要集中具有可直線移動(dòng)配重的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、具有液囊或氣囊的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、具有可吸排水缸體的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和具有可轉(zhuǎn)動(dòng)配重的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上。

圖3 主要研究熱點(diǎn)分布圖

2 國(guó)內(nèi)水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)發(fā)展脈絡(luò)

下面結(jié)合重點(diǎn)專(zhuān)利對(duì)具有可直線移動(dòng)配重的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、具有液囊或氣囊的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、具有吸排水缸體的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和具有可轉(zhuǎn)動(dòng)配重的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的水下滑翔機(jī)器人進(jìn)行詳細(xì)論述。見(jiàn)圖3.

2.1 具有可直線移動(dòng)和可轉(zhuǎn)動(dòng)配重的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2006年4月29 日，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的俞建成等提交了一份申請(qǐng)?zhí)枮镃N200610046471的專(zhuān)利申請(qǐng)，在國(guó)內(nèi)首次記載使用了一種俯仰角調(diào)節(jié)裝置，其由俯仰調(diào)節(jié)直線步進(jìn)電機(jī)、俯仰調(diào)節(jié)電池組和俯仰調(diào)節(jié)裝置固定架組成。將電池組作為俯仰調(diào)節(jié)質(zhì)量塊，并通過(guò)直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電池組沿縱向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，來(lái)調(diào)整所述水下滑行機(jī)器人的俯仰角。同時(shí)，為了調(diào)整所述機(jī)器人重心的橫向位置，該專(zhuān)利申請(qǐng)還首次記載了一種橫滾角調(diào)節(jié)裝置，其通過(guò)橫滾直線步進(jìn)電機(jī)橫向移動(dòng)橫滾質(zhì)量塊。見(jiàn)圖4.

圖4 水下監(jiān)測(cè)平臺(tái)用水下機(jī)器人

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電池組或質(zhì)量塊與安裝架直接接觸，在摩擦力的作用下降低了能源的利用率。為了解決上述問(wèn)題，2010年12月15日，來(lái)自中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所的宋長(zhǎng)會(huì)等人，通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)CN201020672547提出了一種水下航行器縱傾調(diào)節(jié)裝置，該裝置的滑塊外殼的底面上安裝滾動(dòng)軸承，并讓滾動(dòng)軸承與艙底平鍵接觸。見(jiàn)圖5.

圖5 水下航行器縱傾調(diào)節(jié)裝置

此外，2011年3月17日，來(lái)自哈爾濱工程大學(xué)的王玉甲等人，通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)CN201110064976提出了一種水下機(jī)器人重心調(diào)節(jié)裝置，該裝置同時(shí)設(shè)置有滾珠絲杠和中心軸，中心軸與偏心電池塊之間設(shè)置有軸承，同樣降低了所述重心調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的摩擦力，提高了能源利用率。見(jiàn)圖6.

圖6 水下機(jī)器人重心調(diào)節(jié)裝置

為了進(jìn)一步節(jié)省能源，提高所述機(jī)器人的續(xù)航能力，來(lái)自中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○二研究所的徐強(qiáng)等提出了一種移動(dòng)式深海工作站縱/橫傾自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，該裝置設(shè)置有一個(gè)平衡擺球組件，通過(guò)該平衡擺球組件在縱/橫傾時(shí)受到的重力來(lái)接通不同的接線柱，從而使電機(jī)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊移動(dòng)來(lái)進(jìn)行縱/橫傾的調(diào)節(jié)。該申請(qǐng)的裝置能夠有效地減少電能的消耗。見(jiàn)圖7.

圖7 移動(dòng)式深海工作站縱/橫傾自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

目前應(yīng)用于水下滑翔機(jī)器人的俯仰姿態(tài)調(diào)節(jié)的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)，此兩種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率低，不適合高速傳動(dòng)，磨損嚴(yán)重，成本高，不利于水下滑翔機(jī)器人姿態(tài)的快速調(diào)節(jié)。為了解決上述問(wèn)題，來(lái)自天津大學(xué)的王樹(shù)新等，通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)CN201510862146提出一種水下滑翔機(jī)緊湊型姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置，該姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置主要通過(guò)相互嚙合的齒輪及齒輪齒條機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，具備結(jié)構(gòu)緊湊、可控性好、可靠性高便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，滿足水下水下滑翔機(jī)器人的需求。

2.2 具有液囊或氣囊的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

現(xiàn)有水下滑翔機(jī)浮力控制大部分都是采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)液壓缸中的活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使缸中的油液吸進(jìn)或排出油囊，受步進(jìn)電機(jī)的功率以及液壓缸的性能條件限制，水下滑翔機(jī)的工作深度只有數(shù)十米，很難向深海發(fā)展。為了解決上述問(wèn)題，2007年，來(lái)自浙江大學(xué)的楊燦輝等人通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)CN200610053498提出了一種水下滑翔機(jī)浮力控制裝置，其將油囊直接設(shè)置在承壓殼體的外部，表面直接接觸海水。當(dāng)水下滑翔機(jī)準(zhǔn)備下潛時(shí)，小型電磁閥打開(kāi)，在內(nèi)外壓差當(dāng)作用下，油從油囊流回油腔。隨著油腔中的油液不斷增多，活塞逐漸遠(yuǎn)離底部，兩個(gè)線性電位計(jì)的拉線不斷縮短，輸出的電壓信號(hào)值不斷減少。當(dāng)主控計(jì)算機(jī)測(cè)得電壓信號(hào)達(dá)到指定值時(shí)，小型電磁閥關(guān)閉。見(jiàn)圖8.

圖8 水下滑翔機(jī)浮力控制裝置

為了進(jìn)一步提高水下滑翔機(jī)器人的續(xù)航能力，2011年，來(lái)自浙江大學(xué)的楊燦輝等人通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)CN201110092034提出了一種水下滑翔機(jī)浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置，除了傳統(tǒng)的油囊設(shè)計(jì)，該裝置還設(shè)置有蓄能器，當(dāng)滑翔機(jī)浮于海面上時(shí)，上下起伏的波浪推動(dòng)尾翼使它沿軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒輪副增加轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，絲杠螺母副把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)液壓系統(tǒng)給蓄能器加壓，從而提高水下滑翔機(jī)的續(xù)航力。見(jiàn)圖9.

圖9 水下滑翔機(jī)浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置

為了降低水下浮力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的體積，2013年，來(lái)自華中科技大學(xué)的李寶仁等通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)CN201310 571578提出了一種深海滑翔機(jī)的浮力調(diào)節(jié)裝置和方法，其采用模塊化設(shè)計(jì)，除內(nèi)部油箱和外部油囊需根據(jù)要求體積研制外，其他各個(gè)部分元件都為小型化和輕量化，且都集成安裝在支架上，充分利用內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，壓縮占用體積，從而降低了整個(gè)裝置的質(zhì)量與體積。同時(shí)，其液壓元件的連接采用集成閥塊的形式，結(jié)構(gòu)緊湊，在一定程度上節(jié)省了空間，進(jìn)一步縮小了裝置的體積，同時(shí)減少了液壓油管的使用，從而提高了連接的可靠性。見(jiàn)圖10.

圖10 深海滑翔機(jī)的浮力調(diào)節(jié)裝置

一般的滑翔式潛水器的水密艙內(nèi)都包括了浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與橫滾調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但是現(xiàn)有的滑翔式潛水器都是將兩者獨(dú)立設(shè)計(jì)的，空間并沒(méi)有得到充分的利用。這對(duì)滑翔式潛水器的負(fù)載能力造成一定的不利影響。為了解決上述問(wèn)題，2016年，來(lái)自哈爾濱工程大學(xué)的李曄等通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)CN201610487758提出了一種耦合橫滾調(diào)節(jié)和浮力調(diào)節(jié)的滑翔器調(diào)節(jié)裝置，同時(shí)調(diào)節(jié)滑翔式潛水器自身浮力和重心在橫向上的位置的耦合橫滾調(diào)節(jié)和浮力調(diào)節(jié)的滑翔器調(diào)節(jié)裝置，既能驅(qū)動(dòng)滑翔式潛水器的上浮或下潛，并能控制滑翔式潛水器的的橫滾運(yùn)動(dòng)，還能充分利用有效的空間。見(jiàn)圖11.

圖11 耦合橫滾調(diào)節(jié)和浮力調(diào)節(jié)的滑翔器調(diào)節(jié)裝置

2.3 具有吸排水缸體的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

為了解決現(xiàn)有的仿生機(jī)器魚(yú)存在升潛速度不高、升潛特性差、尾鰭運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)整不方便等問(wèn)題，2008年，來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉軍考等通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)CN200810064324提出了一種具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機(jī)器魚(yú)，其通過(guò)缸筒、活塞和絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)的吸排水，來(lái)改變機(jī)器魚(yú)所受的浮力和重力，從而實(shí)現(xiàn)升潛。見(jiàn)圖12.

圖12 具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機(jī)器魚(yú)

為了進(jìn)一步提高升潛范圍，2012年，來(lái)自浙江大學(xué)的楊燦軍等通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)CN201210362056提出了一種混合型水下航行探測(cè)器，其浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)安裝在主艙的前部，其包括緊固在固定架上的電機(jī)、由前活塞缸和后活塞缸對(duì)接組成的活塞缸，在前、后活塞缸的對(duì)接處固定有滾動(dòng)膜片。其結(jié)構(gòu)緊湊，并且由于具有兩個(gè)活塞缸，能夠提供更大范圍的浮力。見(jiàn)圖13.

圖13 混合型水下航行探測(cè)器

為了克服現(xiàn)有浮力調(diào)節(jié)裝置占用空間大、質(zhì)量重，測(cè)量精度低等缺點(diǎn)，2013年，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的武國(guó)建等通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)CN201310 640091提出了一種用于自治水下航行器的模塊化浮力調(diào)節(jié)裝置，模塊化浮力調(diào)節(jié)裝置為液壓系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)小端活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)大端缸活塞的運(yùn)動(dòng)，最終大端缸活塞實(shí)現(xiàn)吸排海水，實(shí)現(xiàn)重浮力的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自治水下航行器的整體浮力調(diào)節(jié)。由于采用了模塊化設(shè)計(jì)，從而使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間更小。同時(shí)，液壓系統(tǒng)在高壓小流量工況下工作，一方面可提高整個(gè)液壓系統(tǒng)的效率，另一方面進(jìn)一步縮小了液壓系統(tǒng)的整體體積。見(jiàn)圖14.

圖14 用于自治水下航行器的模塊化浮力調(diào)節(jié)裝置

為了實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整和定點(diǎn)懸停，2014年，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的劉鐵軍等通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)CN201410627537提出了一種長(zhǎng)期定點(diǎn)垂直剖面觀測(cè)型水下機(jī)器人，其中液壓缸的小活塞一側(cè)通過(guò)輸出桿與海水調(diào)節(jié)缸的大活塞連接，所述海水調(diào)節(jié)缸上設(shè)有與海水連通的出入水口，所述液壓缸與液壓系統(tǒng)連接，所述液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓缸的小活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)海水調(diào)節(jié)缸的大活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使海水調(diào)節(jié)缸通過(guò)出入水口吸排海水，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人浮力調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整和定點(diǎn)懸停。見(jiàn)圖15.

圖15 長(zhǎng)期定點(diǎn)垂直剖面觀測(cè)型水下機(jī)器人

3 總結(jié)與展望

通過(guò)對(duì)水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)專(zhuān)利申請(qǐng)的統(tǒng)計(jì)分析，可以看到，2000～2016年，水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量大體呈逐年增加的趨勢(shì)。2000～2010年申請(qǐng)量增長(zhǎng)較為緩慢，基本上處于停滯的態(tài)勢(shì)。并且近5年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于具有可直線移動(dòng)配重的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和具有吸排水缸體的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研究有了放緩的失態(tài)，該領(lǐng)域的革命性創(chuàng)新性有所減少。此外，于此形成鮮明對(duì)比的是，具有液囊或氣囊的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和具有可轉(zhuǎn)動(dòng)配重的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的水下滑翔機(jī)器人依然穩(wěn)定的發(fā)展，這與水下滑翔機(jī)器人對(duì)艙體內(nèi)空間利用率和續(xù)航力的追求有密切的關(guān)系。

同時(shí)從國(guó)內(nèi)的專(zhuān)利申請(qǐng)中也可以看出，現(xiàn)階段的水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)仍處于結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單拆分和疊加。國(guó)內(nèi)缺乏像專(zhuān)利申請(qǐng)CN201610487758提出的功能相互耦合的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，申請(qǐng)人缺乏對(duì)整體運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的精簡(jiǎn)和耦合。從大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和期刊中也可以看出，國(guó)外發(fā)展技術(shù)成熟，多集中在原理性創(chuàng)新；在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)中，申請(qǐng)人多集中在高校和研究所，且多細(xì)節(jié)上的優(yōu)化。同時(shí)，值得注意的是中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、浙江大學(xué)及天津大學(xué)等在該領(lǐng)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)明顯，其他研究所、高校及企業(yè)仍舊處于跟隨和模仿階段，鮮有創(chuàng)新。并且，我國(guó)國(guó)內(nèi)水下滑翔機(jī)器人仍未大量投入到實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用當(dāng)中去，導(dǎo)致該領(lǐng)域申請(qǐng)人研究熱情不高，創(chuàng)新能力不足。

隨著水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的普及，其將擺脫傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的笨重、高能耗的弊病。下一個(gè)階段，水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將朝著小型化、節(jié)能化、高效率化的方向發(fā)展，對(duì)其本身研究，研究方向也主要在以下幾方面：（1）水下滑翔機(jī)的續(xù)航能力主要由起能源的容量和轉(zhuǎn)化效能決定，現(xiàn)有能源主要為常規(guī)電池、燃料電池以及熱機(jī)系統(tǒng)，目前正在對(duì)電池進(jìn)行改進(jìn)或者尋求其他能源提高航行和待機(jī)能力，若能擁有核能供電的微型電源系統(tǒng)，將可以使電池長(zhǎng)時(shí)間在水下航行，大大提高水下滑翔機(jī)的性能；（2）水下滑翔機(jī)航程距離遠(yuǎn)近對(duì)水下通信也有了更高的要求，通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)近也極大限制了其潛海的航程，通過(guò)在深海提高通信距離和通信信號(hào)穩(wěn)定性，發(fā)展新型的通信方式，也成為未來(lái)通信體系中的重要任務(wù)；（3）改進(jìn)內(nèi)外部結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)運(yùn)行時(shí)的操控性，提升水下滑翔機(jī)的水動(dòng)力特性，通過(guò)對(duì)機(jī)體的外形、升降翼和穩(wěn)定翼的線型、翼片的位置和材料等，來(lái)減少機(jī)體的航行阻力，抵消深海對(duì)深潛的影響，提高起機(jī)動(dòng)性和可控性[5]，希望越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)高校、科研院所及高新企業(yè)能夠充分意識(shí)到未來(lái)水下滑翔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向，不再滿足于簡(jiǎn)單的模仿和跟隨，加強(qiáng)自主研發(fā)和創(chuàng)新能力，同時(shí)增強(qiáng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)，在水下機(jī)器人領(lǐng)域站在世界科技的最前沿。