張定華，劉可安

（1. 上海中車艾森迪海洋裝備有限公司，上海 201306；2. 株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

海洋蘊藏有豐富的油氣、礦產(chǎn)和生物等多樣化的資源。隨著陸地資源短缺、生態(tài)惡化和能源枯竭等問題的日益嚴(yán)峻，社會的可持續(xù)發(fā)展對資源的依賴將不可避免地由陸地轉(zhuǎn)向海洋［1-2］。因此各沿海國家紛紛加快了對海洋資源和空間開發(fā)及利用的能力建設(shè)，如通過在海底布置光纜實現(xiàn)連接洲際和遠(yuǎn)洋的通信暢通；布置海底管道實現(xiàn)遠(yuǎn)洋油氣向陸地輸送；布局海底電纜實現(xiàn)海洋能源與陸地電網(wǎng)并入等，為了保護(hù)這些海底管纜的安全，進(jìn)行深鋪埋是最有效、最直接、最經(jīng)濟(jì)的手段［3］。此外還有深?？扇急?、礦產(chǎn)資源的開發(fā)等人類正在工程探索的新方向［4］。這些任務(wù)的完成都是需要深海重型作業(yè)機器人來取代陸地上的人和機械的組合，以完成海底特殊環(huán)境下的作業(yè)。由于海底重型作業(yè)過程需要充足的動力供給，同時對復(fù)雜作業(yè)過程中的閉環(huán)操控需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交互，這使得有纜遙控作業(yè)機器人成了目前主流的裝備［5］，其中海底采礦機器人、可燃冰探采機器人、深海底挖溝機、鋪設(shè)犁等均為這類裝備的代表。

我國經(jīng)過40多年的滾動科技攻關(guān)，近年陸續(xù)完成載人潛水器“奮斗者號”、滑翔機 “海燕號”、無人潛水器“悟空號”和“海斗號”等為代表的多個萬米深海探測裝備研制，并取得了一批基礎(chǔ)理論和技術(shù)的成果，帶動了深海裝備產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展?！吧詈ｉ_發(fā)”是在“深海進(jìn)入/深海探測”之后的深海戰(zhàn)略經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，裝備水平直接關(guān)系到參與“人類共同深海資源開發(fā)”的機會，這些裝備不僅需要接受深海高壓強、腐蝕、低溫、陡峭地形、時變風(fēng)浪涌流的復(fù)雜耦合挑戰(zhàn)，還需具備長時間免維護(hù)、低成本高效運行、全工序安全可控、低阻力高效推進(jìn)的運營能力。

深海遙控重型作業(yè)機器人是圍繞某些具體的施工作業(yè)需求，將海洋工程、機械液壓、信息融合、智能控制、網(wǎng)絡(luò)與通信和新材料等多項技術(shù)融合于一體，并重點結(jié)合工程使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性因素，結(jié)構(gòu)和作業(yè)模式經(jīng)過了針對化設(shè)計的水下特種機器人。相對科考潛水器來說，深海重型作業(yè)裝備的外形更加龐大、重量更重、體積更大、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、功能更加多樣化、模塊化設(shè)計更完善［6-7］。西方國家的該類裝備的技術(shù)伴隨著美國墨西哥灣和英國北海的油氣及新能源開發(fā)而逐步發(fā)展成熟，當(dāng)前正朝著少人化的方向發(fā)展。我國近年來也在加快深海重型作業(yè)裝備的研制步伐，抓住時機進(jìn)行技術(shù)更新?lián)Q代，以縮減與西方國家的差距，掀起了科技界和工程界的研究熱潮。為了給國內(nèi)眾多深海重型作業(yè)裝備生產(chǎn)商提供一些產(chǎn)業(yè)參考，本文將全面分析該類機器人的分類、構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合個人的思考對其未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 遙控作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成及分類

一個完整的遙控作業(yè)系統(tǒng)包括水面支持母船、水下機器人本體、作業(yè)工具系統(tǒng)和水面布放回收及支持系統(tǒng)。其中支持母船主要提供電力供給和搭載平臺，布放回收及支持系統(tǒng)使得水下機器人能夠順利完成下水布放和安全回收，機器人本體和作業(yè)工具的結(jié)合則用于完成設(shè)備在水下的運動和具體的作業(yè)過程。本節(jié)概述了國內(nèi)外幾款典型深海作業(yè)機器人產(chǎn)品及其本體結(jié)構(gòu)與水面支持系統(tǒng)。

1.1 幾款典型的深海作業(yè)機器人產(chǎn)品

深海作業(yè)機器人的主要代表產(chǎn)品是ROV、挖溝機、敷設(shè)犁和深海采礦車，這些產(chǎn)品的功率從200 kW到2 000 kW，質(zhì)量從5 t 到310 t，工作水深達(dá)6 000 m。目前，全球的作業(yè)級ROV 差不多1 200 臺，主要由MFC、Perry和中車英國SMD公司提供，用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的建造和運維支持。挖溝機和敷設(shè)犁都是深海管線的專業(yè)保護(hù)作業(yè)裝備，目前，全球大約有200 臺套，主要由中車英國SMD、IHC 及Perry 公司提供，用于海洋油氣開發(fā)及動力電纜和海底通信光纜的鋪設(shè)等［6-8］。由于關(guān)于ROV的文章介紹較多［9］，下面將結(jié)合挖溝機和敷設(shè)犁對深海作業(yè)機器人進(jìn)行介紹。典型挖溝機的鏈鋸和柱狀切割片等機械設(shè)備切碎土質(zhì)（適應(yīng)土壤硬度高達(dá)80 MPa）并將破碎土質(zhì)排出，形成300～600 mm寬的溝壑，其標(biāo)準(zhǔn)挖溝深度是3 m，也可以加深到5 m，如表1 所示。這種機械切割和水射流相結(jié)合的挖溝方式可彌補噴射式、純機械犁挖溝方式的不足。

表1 典型的挖溝機產(chǎn)品性能Tab.1 Performances of typical trenching machine products

為了提高施工效率，依靠大馬力動力定位母船拖曳，敷設(shè)犁的犁刀切入土中挖出“V”形或矩形溝［10］。這種犁的挖溝速度快，破土強度可以達(dá)到350 kPa；同時所挖溝形成形穩(wěn)定、受海流影響小，作業(yè)水深主要集中于1 500 m 以內(nèi)，可以開展清障、開溝、管線布放和回填等多種作業(yè)［11］。目前行業(yè)內(nèi)的代表產(chǎn)品如表2 所示。

表2 典型的敷設(shè)犁Tab.2 Typical laying plow

1.2 機器人本體及結(jié)構(gòu)方式

考慮作業(yè)工具的搭載及其與工具組合后的作業(yè)模式，深海作業(yè)機器人本體的結(jié)構(gòu)分為履帶運動式、雪橇運動式和懸浮運動式3 種，可滿足不同海底土壤地質(zhì)上的運動需求。其中，履帶運動式適用于較硬的地質(zhì)，能依靠驅(qū)動履帶行走提供足夠的與地面的剪切力和摩擦力，整個裝備利用水力射流、鏈?zhǔn)交蜉喪角懈畹裙δ茉诤４餐瓿砷_溝、礦石開采等重負(fù)荷作業(yè)，如圖1（a）所示。雪橇運動模式主要適合偏稀軟的地質(zhì)，通過較大的接觸面積來提供足夠的支撐力以保障機器人自身的姿態(tài)，其行進(jìn)的動力需要由母船拖曳提供，如圖1（b）；或者由機器上配置的推進(jìn)器組合提供，如圖1（c）所示。懸浮運動模式主要用于滿足快速靈活移動水中目標(biāo)的作業(yè)，其利用自身水中重量低或有外界提升機構(gòu)的特點，使用配置的多方向的推進(jìn)器進(jìn)行矢量合成目標(biāo)方向的推動，如圖1（d）所示；或者是稀軟地質(zhì)下的不直接接觸的射流作業(yè)，如圖1（e）所示。當(dāng)然，機器人也可以進(jìn)行模塊化設(shè)計，在不同的場合搭載不同的底盤和工具，將懸浮運動、雪橇運動和履帶運動集成在一起，類似于圖1（f）所示的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 不同結(jié)構(gòu)形式的深海作業(yè)機器人Fig.1 Deep-sea operation robots with different structural forms

一個水下機器人本體包括框架、動力系統(tǒng)、傳感及控制系統(tǒng)和工具搭載系統(tǒng)。以自行走履帶式開溝機為例，其主要包括框架、浮力模塊、推進(jìn)系統(tǒng)、電子艙及所搭載的傳感器和作業(yè)工具。其中，框架為機械部件、電氣部件、推進(jìn)部件、聲吶、攝像頭、照明燈、機械手、傳感器和作業(yè)工具等提供安裝平臺，主要由鋁材和復(fù)合塑料組成，其設(shè)計要求是在提供滿足要求的抗壓能力和支撐力的同時重量低。浮力模塊的主要作用是通過自身的浮力來抵消其他部件和自身在水中所受的重力，從而減輕機器人在水中的重量，降低接地壓力。推進(jìn)系統(tǒng)的作用是通過控制各個方向的推進(jìn)器來提供不同方向的推進(jìn)力，從而滿足相應(yīng)運動對作業(yè)力的需求。水下電力及電子系統(tǒng)通過變壓器和電力電子變換器給各電氣部件提供相應(yīng)電壓等級的電源，電子艙通過采集及計算各種電子電路的信號來實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)和傳感器的控制，并通過集成多路通信信號（后轉(zhuǎn)換成光信號）來實現(xiàn)與控制艙的通信。

不同的運動方式不僅決定了水下機器人本體的結(jié)構(gòu)模式及外形參數(shù)，也決定了甲板配套系統(tǒng)的布放回收方式和對支持母船的要求［12］。例如，履帶式機器人和懸浮式機器人只需要母船提供電能；而拖曳式機器人則需要母船提供拖曳絞車和拖曳鋼纜，這就需要船舶具備拖曳的能力。表3 對各式機器人的特點進(jìn)行了簡單的對比。

表3 不同結(jié)構(gòu)水下機器人的性能對比Tab.3 Performance comparison of underwater robots with different structures

1.3 水面支持系統(tǒng)

水下遙控作業(yè)機器人在重型作業(yè)的過程中需要的功率較大，同時由于作業(yè)場景、作業(yè)對象和作業(yè)工序的不確定性，需要水面操作人員作為閉環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，因此在運行過程中，需要光電臍帶纜作為水面和水下供電及通信的連接?？紤]水下設(shè)備要往返支持母船甲板和水下，需要相應(yīng)的布放回收設(shè)備，因此整個水面支持部分可以分為控制艙和甲板設(shè)備，如圖2所示。水面的控制艙包括兩個部分：其一是供電系統(tǒng)，通過系列供電及保護(hù)設(shè)備實現(xiàn)船舶發(fā)電機給水下裝置的供能；另一個是控制和人機交互系統(tǒng)，通過光電復(fù)合臍帶纜中的光纖介質(zhì)實現(xiàn)船舶與水下設(shè)備的通信及對水下設(shè)備及環(huán)境的實時監(jiān)視，并將控制指令傳遞給水下設(shè)備，實現(xiàn)對水下設(shè)備的實時控制。甲板布放回收系統(tǒng)是連接母船與水下設(shè)備的必要設(shè)備，用于實現(xiàn)水下機器人從甲板到水下的布放和回收。根據(jù)機器人的體積、重量和船舶的搭載能力，布放回收系統(tǒng)可以分為直拉式和牽引絞車式，它們與不同門架相結(jié)合，組成直拉絞車布放、滑軌舷側(cè)布放和游車水下布放等不同收放方式，如圖3所示。

圖2 水面支持系統(tǒng)作業(yè)功能結(jié)構(gòu)Fig.2 The operation function and structure of water surface support system

圖3 典型的收放方式Fig.3 Typical storage and retrieval methods

2 部分關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

深海作業(yè)機器人是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，涉及傳感、控制、電機電器、液壓密封、材料與防腐、力學(xué)結(jié)構(gòu)等多方面技術(shù)。目前，隨著電傳動技術(shù)和智能控制技術(shù)的發(fā)展，深海作業(yè)在滿足安全持久的基本要求上，正逐步朝著“少人化”和“無人化”方向發(fā)展，這將引導(dǎo)整個系統(tǒng)朝著分布式控制、液轉(zhuǎn)電、局部智能與整體智能相結(jié)合的方向發(fā)展。下面將從感知與控制、供能與驅(qū)動、系統(tǒng)集成技術(shù)等方面對深海作業(yè)機器人的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行闡述。

2.1 感知定位與控制技術(shù)

由于深海環(huán)境黑暗無光，需要物體自身提供光源，而且水中各種信號的衰減特性復(fù)雜，因此，深海設(shè)備需集成聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁感應(yīng)技術(shù)于一體，其上各種傳感方式發(fā)揮各自的特長，這與陸地的無人駕駛類似。水下常見的感知傳感器有聲吶、攝像頭、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光、超短基線定位系統(tǒng)（USBL）、多普勒流速計（DVL）、電磁探測設(shè)備（TSS），其各自的優(yōu)缺點對比如表4 所示。聲吶主要用于搜索較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)并進(jìn)行形體掃描，攝像頭主要用于中等距離目標(biāo)的觀察，激光可進(jìn)行近距離目標(biāo)的3D掃描精細(xì)化識別，而電磁探測主要用于識別土壤中的非裸露物體。與非水下環(huán)境傳感感知系統(tǒng)相比，水下傳感感知系統(tǒng)通常具有感知方式單一、距離短、精度低、信息量稀疏、易受外部環(huán)境影響等缺點，因此水下ROV通常需要搭載多種傳感裝置用于水下作業(yè)。在多傳感器數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，目前國內(nèi)外已開發(fā)了基于攝像頭的水下圖像增強、作業(yè)對象辨識及其評估、環(huán)境感知及其可視化、組合導(dǎo)航定位等技術(shù)，并且有相關(guān)產(chǎn)品取得應(yīng)用業(yè)績。隨著人工智能、圖像處理、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在水下機器人上推廣應(yīng)用，集成了多種傳感器設(shè)備、具備針對特定應(yīng)用場景對應(yīng)功能的嵌入式傳感器系統(tǒng)將成為新的水下綜合智能感知技術(shù)發(fā)展趨勢。比如，集成水下視覺、聲吶、慣導(dǎo)、聲學(xué)定位系統(tǒng)和DVL 多種傳感器信息的組合導(dǎo)航定位及水下三維在線重構(gòu)技術(shù)，可滿足不同場景下的水下高精度導(dǎo)航定位及基于增強現(xiàn)實技術(shù)的輔助作業(yè)需求；水下全視景攝像頭及其綜合顯示技術(shù)，將目前自動駕駛領(lǐng)域的熱門技術(shù)應(yīng)用到水下作業(yè)領(lǐng)域，實現(xiàn)了操作人員對水下機器人全方位、無死角地觀察，從而提高了水下機器人的可靠性和安全性；基于數(shù)字孿生、元宇宙技術(shù)的水下智能工廠運維技術(shù)，通過構(gòu)建水下作業(yè)場景、作業(yè)對象、作業(yè)機器人系統(tǒng)模型，采集作業(yè)現(xiàn)場海量傳感器信息，可實現(xiàn)機器人全生命周期管理和風(fēng)險預(yù)測，降低了人員干預(yù)度。

表4 典型水下傳感器性能對比表Tab.4 Comparison of performances of typical underwater sensors

路徑規(guī)劃是水下大范圍智能化作業(yè)的基礎(chǔ)，其不僅要考慮目標(biāo)對象和目標(biāo)路徑，還要掌握自身的位置信息，這樣才能形成閉環(huán)控制。當(dāng)前用于水下定位導(dǎo)航的系統(tǒng)有多種，如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、重力導(dǎo)航、海底地形導(dǎo)航、地磁場導(dǎo)航、引力導(dǎo)航、陀螺儀和多普勒計程儀等，但是每個系統(tǒng)都有不足，當(dāng)前最常用的方式還是聲學(xué)定位與慣性導(dǎo)航的組合。聲學(xué)定位能實現(xiàn)高精度的絕對定位，但是因為深海遠(yuǎn)距離傳輸，需要時間較長；而慣性導(dǎo)航依賴歷史定位和自身運動計算得到下一個位置信息的定位方式雖然效率高，卻會形成累計定位誤差，需要定時校正。兩者組合則能得到高精度的定位信息。聲學(xué)定位系統(tǒng)也分為超短基線（USBL）、短基線（SBL）和長基線（LBL），各個系統(tǒng)的復(fù)雜程度不一樣，可以根據(jù)工程的實際需要進(jìn)行配置，如表5所示。水下機器人通過聲學(xué)定位，得到自身和聲學(xué)定位系統(tǒng)的相對位置，然后與聲學(xué)定位裝置的絕對位置相結(jié)合，就可以知道自身在水下的絕對位置。

表5 聲學(xué)定位系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)Tab.5 Acoustic positioning systems and inertial navigation systems

在水下機器人具備自主運動和半自主作業(yè)能力時，水面控制將是水下機器人作業(yè)的重要一環(huán)。因此，需要將水下環(huán)境和機器人自身的信息反饋到水面，同時需要將人工指令傳遞到水下遙控設(shè)備。此外，多個水下設(shè)備之間也需要通過通信聯(lián)系。當(dāng)前主要的通信方式有光纖通信、聲學(xué)通信、無線電和可見光通信等。光纖通信用于實現(xiàn)水下機器人與水面設(shè)備之間的大容量、低延時、高可靠通信，其缺點在于需要通信者之間存在實質(zhì)性的物理連接，限制了機器人的作業(yè)范圍和機動性能。各水下通信方式的通信距離和帶寬如圖4所示。其中聲學(xué)通信是目前水下無線通信的主要方式，具有通信帶寬低、可靠性低、抗干擾能力弱等特點，不能用于水下機器人群體。無線電通信對應(yīng)的帶寬比聲學(xué)通信的高，但由于無線電信號在水下易衰減發(fā)散，因此通常無線電通信距離比較短。可見光通信是一種新興技術(shù)，為未來水下設(shè)備之間高速、大容量無線通信提供了可能。

圖4 4 種水下通信方式對應(yīng)的帶寬與距離的關(guān)系Fig.4 The relationship between bandwidth and distance corresponding to four underwater communication methods

深海作業(yè)過程具有大量不確定因素，不僅作業(yè)環(huán)境感知難度大，而且還依賴操作員的技術(shù)水平。當(dāng)前普遍采用機器半自主運動和人工介入相結(jié)合控制方式，以提高作業(yè)效率。如，自適應(yīng)的推進(jìn)器協(xié)同矢量分配控制、多類型走行機構(gòu)的穩(wěn)定行走控制、自動定高及定深控制、自動航向角控制、路徑跟隨等。隨著自主導(dǎo)航、通信技術(shù)和聲學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，研究人員正在逐步將先進(jìn)控制技術(shù)和智能化技術(shù)應(yīng)用在深海作業(yè)領(lǐng)域。比如，基于視覺伺服的機器人運動控制在水下作業(yè)機械臂和遙控機器人的對準(zhǔn)定位控制方面的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)機器人遠(yuǎn)程操作時面臨的空間三維坐標(biāo)感知困難、精細(xì)化運動操控困難等問題；基于岸基遙控的遠(yuǎn)程作業(yè)技術(shù)，通過將機器人操作人員從母船甲板轉(zhuǎn)移至陸地超遠(yuǎn)程操控中心，極大地削弱了海況對海底作業(yè)的制約，降低了母船運維成本，具有巨大的市場應(yīng)用價值。此外，自動避障及路徑規(guī)劃技術(shù)也在陸續(xù)被嘗試應(yīng)用于深海作業(yè)機器人領(lǐng)域，以實現(xiàn)水下機器人群和水面母船群的多智能體無人化協(xié)同作業(yè)。

為實現(xiàn)深海作業(yè)的少人化發(fā)展和設(shè)備的遠(yuǎn)程運維，其作業(yè)過程需要使用機器自主作業(yè)與岸基遙控技術(shù)相結(jié)合的方式。這樣，一方面需要進(jìn)一步提高機器的智能化程度，以解決作業(yè)過程的目標(biāo)識別、動作規(guī)劃和執(zhí)行閉環(huán)問題；另一方面，需要解決機器與海底通信基站的高速聲學(xué)通信或者水面浮標(biāo)與衛(wèi)星鏈路的寬頻帶、小延時實時通信問題，以保障岸基能及時介入水下作業(yè)操作。

2.2 高效供能與驅(qū)動技術(shù)

由于機器人水下長時間工作所需消耗的能量多，而母船或者平臺均以柴油發(fā)電機為主，為了達(dá)到綠色用能的要求，需要水下作業(yè)過程實現(xiàn)高效用能；而使用能效的高低直接決定了供電臍帶纜的大小，也決定了甲板收放系統(tǒng)及絞車的體積和重量，因此，深海作業(yè)機器人的用能效率直接決定了整個系統(tǒng)的大小和船舶的負(fù)荷能力。深海作業(yè)機器人不僅需要驅(qū)動本體行走，同時還需要驅(qū)動工具進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)前主流的驅(qū)動方式是電液傳動［13］，即先通過電機驅(qū)動泵，泵再通過控制閥驅(qū)動相應(yīng)的液壓馬達(dá)。這種方式的優(yōu)點在于驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定、成熟，同時能夠共用油路實現(xiàn)能量共享；不足之處是液壓系統(tǒng)的效率低，從甲板供電到作業(yè)輸出后的能量利用率只有40%～50%；同時由于液壓泵和控制閥是精密金屬加工件，系統(tǒng)成本較高，難有降本的空間。

通過電力柔性可控技術(shù)可以提高電能傳輸效率，從甲板到水下設(shè)備的能效在80%以上；再加上電動化部件的技術(shù)更新和成本下降，整個系統(tǒng)簡化后成本競爭優(yōu)勢增強，也滿足了綠色無油化發(fā)展要求。目前的技術(shù)難點是，行業(yè)內(nèi)沒有適應(yīng)深海高壓強環(huán)境的電力電子器件及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，所用的電動化部件都需要通過反復(fù)試驗及改裝才能實現(xiàn)。目前已經(jīng)研制成功的電動化部件和整機有：集永磁電機、磁齒輪和變頻驅(qū)動器于一體的水下三合一推進(jìn)器，其驅(qū)動功率達(dá)到30 kW，能效達(dá)到93%；將水下高壓直流變換為低壓直流的DC-DC變流器，能效達(dá)到98%；利用低壓DC-DC和DC-AC構(gòu)成的水下直流組網(wǎng)及負(fù)載驅(qū)動系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的能效達(dá)到82%，并在直流母線上配置有儲能單元，如圖5所示。另外，電動機械臂、電動ROV、電驅(qū)采礦車也完成了相應(yīng)的工程化驗證，這證明了電動化技術(shù)是可以滿足全海深的行走驅(qū)動、推進(jìn)及其他電力變換需求的。

圖5 深海電動化部件及裝備Fig.5 Deep-sea electrified components and equipment

隨著海底工廠相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，深海作業(yè)機器人也會朝著無支持母船的方向發(fā)展，這就需要考慮水下充電樁和無線充電相結(jié)合的能量補給方式，同時需要解決水下充電過程中的精準(zhǔn)對接和大儲能問題，如提高儲能密度，減小因搭載儲能單元而增加的航行阻力。

2.3 系統(tǒng)輕量化集成技術(shù)

整個水下機器人要在有限的空間和重量的限制下，配備不同性能的多種傳感器和操作工具，同時配備照明、攝像、云臺等眾多輔助部件，系統(tǒng)集成設(shè)計顯得十分重要。首先，需要依據(jù)水下機器人作業(yè)任務(wù)， 結(jié)合使用條件進(jìn)行總體布局設(shè)計，對其總體結(jié)構(gòu)、流體性能、動力系統(tǒng)、控制與通信方式進(jìn)行優(yōu)化，以提高有限空間的利用效率［14］。其次，為了提高水下機器人的負(fù)荷能力、續(xù)航能力和工作效率，減小運行阻力和成本，不僅要考慮整個水下結(jié)構(gòu)的構(gòu)型及布局，更需要通過材料和工藝結(jié)合實現(xiàn)其輕量化和緊湊化設(shè)計，并使各個搭載部件具備受壓能力強和自重小的特點。

在輕量化設(shè)計上，一方面需要合理搭配使用鋁合金、不銹鋼、碳鋼和鈦合金等金屬材料，并結(jié)合受力分析進(jìn)行鏤空設(shè)計，盡量使用碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等新型復(fù)合材料替代金屬材料，充分發(fā)揮復(fù)合材料密度小、機械強度大、浮力大、耐腐蝕、運行噪聲小和抗生物附著能力強等特性，例如，支撐結(jié)構(gòu)件、行走履帶、液壓管道采用復(fù)合材料。還有就是在浮力材料上需突破玻璃微珠與樹脂相結(jié)合的工藝配方，在減小材料密度的同時保障其硬度和吸水率，以減小浮力部件的自重。另外，需要擺脫厚重的保護(hù)殼體，使分線盒、電機及螺旋槳控制器等部件內(nèi)部都充滿油類介質(zhì)，通過壓力補償和密封實現(xiàn)內(nèi)部和外部壓力的平衡，整個系統(tǒng)取消承壓艙部件。最后，就是采用分布式布局，充分利用重心和浮心約束下的各個空間，兼顧運動過程中的水流通道、作業(yè)反作用力等約束，實現(xiàn)最大的載荷量。

未來，隨著納米技術(shù)、智能材料和數(shù)字制造技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料的性能將得到進(jìn)一步提升，也將進(jìn)一步推動水下機器人的輕量化，從而降低其能量消耗及運營成本，提高移動作業(yè)的效率［15］。

3 產(chǎn)業(yè)發(fā)展挑戰(zhàn)及相關(guān)建議

建設(shè)海洋強國，需要高端裝備提供支撐。當(dāng)前，我國從事深海重型作業(yè)機器人研發(fā)的企業(yè)較少，尚未形成一整套從科學(xué)研究、產(chǎn)品制造到應(yīng)用服務(wù)的研發(fā)體系，且與國際先進(jìn)水平存在一定差距，主要體現(xiàn)在制造工藝和關(guān)鍵部件技術(shù)兩個方面。我國科技成果轉(zhuǎn)化能力和精密專業(yè)制造能力薄弱，尤其是在精細(xì)化生產(chǎn)制造技術(shù)和高標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)備上存在缺失，在目前市場需求量不大的背景下，難以形成專業(yè)從事深海重型作業(yè)裝備制造的產(chǎn)業(yè)鏈，科研院所及高校的研究成果不能及時有效地向應(yīng)用工程轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致科研樣機數(shù)量多過實際工程產(chǎn)品。另外，我國海工裝備的基礎(chǔ)及關(guān)鍵部件技術(shù)還有待提升。雖然我國解決了較多深海重型作業(yè)機器人關(guān)鍵部件的有無問題，但是部件的可靠性和功率密度等與國際先進(jìn)水平還有差距，尤其是在防腐材料、傳感器、液壓元器件、電動機械手、液壓閥等一些高精度、高工藝水平部件的技術(shù)上；而且，我國對這些關(guān)鍵部件的研發(fā)投入較少，市場驅(qū)動力不足，相關(guān)制造廠商缺乏對其持續(xù)攻關(guān)的動力。深海是未來空間、資源和能源競爭的主要方向，海工裝備的市場競爭已經(jīng)從單一客戶競爭轉(zhuǎn)為供應(yīng)鏈之間的競爭，目前國內(nèi)由于市場驅(qū)動力有限，各相關(guān)行業(yè)參與的力度不足，需要國家從戰(zhàn)略高度牽引打造供應(yīng)鏈體系。

針對以上問題，筆者認(rèn)為我國深海重型作業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)需要從以下兩個方面獲得發(fā)展：一是需要構(gòu)建產(chǎn)、學(xué)、研、用產(chǎn)業(yè)協(xié)同體系，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，即以海洋資源開發(fā)實際需求為導(dǎo)向，形成一套以專業(yè)制造企業(yè)為鏈長企業(yè)，聯(lián)合用戶、上下游企業(yè)、科研院所和高校，包括科學(xué)研究、產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)服務(wù)的完整社會分工體系，并隨著體系建設(shè)的深入，實現(xiàn)各子部件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，從而形成相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范或國家標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)整個深海作業(yè)裝備的技術(shù)性能提升和制造流程簡化；二是發(fā)揮我國有組織科研的優(yōu)勢，成立特種研究實驗室，引導(dǎo)各行各業(yè)都來為海工裝備研發(fā)服務(wù)，實現(xiàn)各部件性能的提升，形成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，降低整個裝置的成本，從而提高我國海工裝備在國際市場上的競爭力。