科技动态▏深海小型爬行机器人研究现状

张奇峰等溪流之海洋人生 2023-05-07

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国际上通常把深度大于1000m的海域称为深海，然而，受到认知水平和技术条件的制约，深海是人类最难以企及的海洋区域，也是迄今为止人类了解最少的地球生态系统之一。水下机器人（也称为无人潜水器）和载人潜水器技术，是当前发展阶段常用且有效的深海探索方式。其中，具备海底探测作业能力的深海小型爬行机器人为深海热液、冷泉区域探测提供了一种有效的手段。近年来，深海小型化的爬行机器人，以其小巧灵活的构型和高效的海底探测作业能力而逐渐成为日本、德国和美国等国家争相研制的深海探测作业机器人装备之一，并由此衍生出了诸多更加经济高效的深海底部探测作业新模式。

一、深海小型爬行机器人分类及发展现状

当前国际上研制的小型化深海爬行机器人主要用于深海底部的底质环境探测、生态系统、生物群落调查以及样品获取，表1列出了当前典型深海小型爬行机器人样机的作业形式、布放回收以及定位传感器应用情况。

表1典型深海小型爬行机器人的作业形式、布放与回收

按照海上作业形式的不同，本文将小型的深海爬行机器人分为基站式作业型、子母式作业型、独立式作业型3种，如下图所示。

⒈基站式作业型机器人

以海底观测网为能源和数据交互中心基站，布放回收相对独立。按照最终的作业形式，当前可用于基站式作业的深海小型爬行机器人系统主要有德国雅各布大学研制的履带式机器人Wally，根据应用的场合不同可以分为iWally、TRAMER和VIATOR。

⒉子母式作业型机器人

以传统的深海装备为载体，共同下潜至海底，之后被释放出载体，采用有缆或无缆的方式进行海底联合探测作业，回收时需要返回载体，共同上浮，典型的案例有以下2个：

⑴与深海着陆器配合使用的爬行机器人VIATOR

⑵日本全海深履带式ROV——“ABISMO”

⒊独立作业型

独立作业型的深海爬行机器人在海底作业时不与其他深海装备产生物理接触，具备完全的海底自主作业能力，自带电池，可以以低功耗作业方式完成长时间的海底探测任务，典型的有以下2种：

⑴美国MBARI 深海爬行机器人Benthic Rover

⑵北极冰下作业机器人——TRAMPER

二、深海小型爬行机器人关键技术

随着深海海洋探索需求日益增强，深海底部探测作业任务越来越复杂和多样化，当前仍有诸多技术限制着深海小型爬行机器人的应用。通过对现有典型样机的应用情况进行总结和分析，可以发现主要涉及以下关键技术。

⒈复杂海底运动适应性技术

当前服役的深海爬行作业的小型机器人系统，均采用了履带式构型，通过设计可重构的履带构型、使用推进器辅助等方式可以提高海底爬行式机器人的海底行走适应性。下表对比列出了几种典型海底可爬行机器人的爬行构型特征。

⒉导航定位技术

对于深海小型爬行机器人与基站对接回收问题，同AUV水下对接技术类似。AUV水下对接导航定位技术研究较为成熟，常采用超短基线（USBL）和光学（视觉）组合的方式，如韩国“ISiMI”AUV和浙江大学“海豚”系列AUV的水下对接，首先通过USBL引导AUV到达对接目标约30m的近距离范围内，切换到视觉传感器进行引导对接，最终实现其自主地对接回收。

⒊能源供给技术

水下无线电能传输对于提升深海小型爬行机器人的作业时间有重要作用，当前的小型化深海爬行机器人的能量供给方式有2种：连接基站供电和自带电池供电，由下表可以看出约70%的小型化深海爬行机器人样机采用了电池供电的方案。为了提高其充电效率和稳定性，可以考虑微细系缆和电池联合供电的方式。

⒋深海轻量级作业机械手技术

借鉴工业机械臂模块化关节的方案，可以设计实现灵巧、轻量级的深海电动机械手以提高机器人作业能力，常采用多自由度轻量级的电机械手，图27所示为对电动机械手按照驱动方式进行了分类。

【作者简介】本文作者/张奇峰张运修张艾群，分别来自中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室和中国科学院大学；第一作者张奇峰，1979年出生，,男，博士，研究员，博士生导师，研究领域为水下机器人作业技术；本文来自《机器人》（2019年第2期），转载自中国科学院沈阳自动化研究所微信平台，参考文献略，有删节，用于学习与交流。