深海遙控重型作業機器人發展現狀與展望

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、礦產和生物等多樣化的資源。隨著陸地資源短缺、生態惡化和能源枯竭等問題的日益嚴峻，社會的可持續發展對資源的依賴將不可避免地由陸地轉向海洋［1-2］。因此各沿海國家紛紛加快了對海洋資源和空間開發及利用的能力建設，如通過在海底布置光纜實現連接洲際和遠洋的通信暢通；布置海底管道實現遠洋油氣向陸地輸送；布局海底電纜實現海洋能源與陸地電網并入等，為了保護這些海底管纜的安全，進行深鋪埋是最有效、最直接、最經濟的手段［3］。此外還有深?？扇急?、礦產資源的開發等人類正在工程探索的新方向［4］。這些任務的完成都是需要深海重型作業機器人來取代陸地上的人和機械的組合，以完成海底特殊環境下的作業。由于海底重型作業過程需要充足的動力供給，同時對復雜作業過程中的閉環操控需要進行大量的數據交互，這使得有纜遙控作業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、鋪設犁等均為這類裝備的代表。

我國經過40多年的滾動科技攻關，近年陸續完成載人潛水器“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，并取得了一批基礎理論和技術的成果，帶動了深海裝備產業鏈的發展?！吧詈ｉ_發”是在“深海進入/深海探測”之后的深海戰略經濟目標，裝備水平直接關系到參與“人類共同深海資源開發”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、時變風浪涌流的復雜耦合挑戰，還需具備長時間免維護、低成本高效運行、全工序安全可控、低阻力高效推進的運營能力。

深海遙控重型作業機器人是圍繞某些具體的施工作業需求，將海洋工程、機械液壓、信息融合、智能控制、網絡與通信和新材料等多項技術融合于一體，并重點結合工程使用的可靠性和經濟性因素，結構和作業模式經過了針對化設計的水下特種機器人。相對科考潛水器來說，深海重型作業裝備的外形更加龐大、重量更重、體積更大、結構更加復雜、功能更加多樣化、模塊化設計更完善［6-7］。西方國家的該類裝備的技術伴隨著美國墨西哥灣和英國北海的油氣及新能源開發而逐步發展成熟，當前正朝著少人化的方向發展。我國近年來也在加快深海重型作業裝備的研制步伐，抓住時機進行技術更新換代，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。為了給國內眾多深海重型作業裝備生產商提供一些產業參考，本文將全面分析該類機器人的分類、構成及關鍵技術的研究現狀，并結合個人的思考對其未來技術和產業的發展進行展望。

1 遙控作業系統構成及分類

一個完整的遙控作業系統包括水面支持母船、水下機器人本體、作業工具系統和水面布放回收及支持系統。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，機器人本體和作業工具的結合則用于完成設備在水下的運動和具體的作業過程。本節概述了國內外幾款典型深海作業機器人產品及其本體結構與水面支持系統。

1.1 幾款典型的深海作業機器人產品

深海作業機器人的主要代表產品是ROV、挖溝機、敷設犁和深海采礦車，這些產品的功率從200 kW到2 000 kW，質量從5 t 到310 t，工作水深達6 000 m。目前，全球的作業級ROV 差不多1 200 臺，主要由MFC、Perry和中車英國SMD公司提供，用于水下生產系統的建造和運維支持。挖溝機和敷設犁都是深海管線的專業保護作業裝備，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，用于海洋油氣開發及動力電纜和海底通信光纜的鋪設等［6-8］。由于關于ROV的文章介紹較多［9］，下面將結合挖溝機和敷設犁對深海作業機器人進行介紹。典型挖溝機的鏈鋸和柱狀切割片等機械設備切碎土質（適應土壤硬度高達80 MPa）并將破碎土質排出，形成300～600 mm寬的溝壑，其標準挖溝深度是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，破土強度可以達到350 kPa；同時所挖溝形成形穩定、受海流影響小，作業水深主要集中于1 500 m 以內，可以開展清障、開溝、管線布放和回填等多種作業［11］。目前行業內的代表產品如表2 所示。

表2 典型的敷設犁Tab.2 Typical laying plow

1.2 機器人本體及結構方式

考慮作業工具的搭載及其與工具組合后的作業模式，深海作業機器人本體的結構分為履帶運動式、雪橇運動式和懸浮運動式3 種，可滿足不同海底土壤地質上的運動需求。其中，履帶運動式適用于較硬的地質，能依靠驅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、鏈式或輪式切割等功能在海床完成開溝、礦石開采等重負荷作業，如圖1（a）所示。雪橇運動模式主要適合偏稀軟的地質，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，其行進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的作業，其利用自身水中重量低或有外界提升機構的特點，使用配置的多方向的推進器進行矢量合成目標方向的推動，如圖1（d）所示；或者是稀軟地質下的不直接接觸的射流作業，如圖1（e）所示。當然，機器人也可以進行模塊化設計，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）所示的結構形式。

圖1 不同結構形式的深海作業機器人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、傳感及控制系統和工具搭載系統。以自行走履帶式開溝機為例，其主要包括框架、浮力模塊、推進系統、電子艙及所搭載的傳感器和作業工具。其中，框架為機械部件、電氣部件、推進部件、聲吶、攝像頭、照明燈、機械手、傳感器和作業工具等提供安裝平臺，主要由鋁材和復合塑料組成，其設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。推進系統的作用是通過控制各個方向的推進器來提供不同方向的推進力，從而滿足相應運動對作業力的需求。水下電力及電子系統通過變壓器和電力電子變換器給各電氣部件提供相應電壓等級的電源，電子艙通過采集及計算各種電子電路的信號來實現對執行機構和傳感器的控制，并通過集成多路通信信號（后轉換成光信號）來實現與控制艙的通信。

不同的運動方式不僅決定了水下機器人本體的結構模式及外形參數，也決定了甲板配套系統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行了簡單的對比。

表3 不同結構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

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

圖2 水面支持系統作業功能結構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 部分關鍵技術現狀及其發展趨勢

深海作業機器人是一個復雜的大系統，涉及傳感、控制、電機電器、液壓密封、材料與防腐、力學結構等多方面技術。目前，隨著電傳動技術和智能控制技術的發展，深海作業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”方向發展，這將引導整個系統朝著分布式控制、液轉電、局部智能與整體智能相結合的方向發展。下面將從感知與控制、供能與驅動、系統集成技術等方面對深海作業機器人的技術現狀和發展趨勢進行闡述。

2.1 感知定位與控制技術

由于深海環境黑暗無光，需要物體自身提供光源，而且水中各種信號的衰減特性復雜，因此，深海設備需集成聲學、光學、電學和磁感應技術于一體，其上各種傳感方式發揮各自的特長，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、慣性導航系統、激光、超短基線定位系統（USBL）、多普勒流速計（DVL）、電磁探測設備（TSS），其各自的優缺點對比如表4 所示。聲吶主要用于搜索較遠距離的目標并進行形體掃描，攝像頭主要用于中等距離目標的觀察，激光可進行近距離目標的3D掃描精細化識別，而電磁探測主要用于識別土壤中的非裸露物體。與非水下環境傳感感知系統相比，水下傳感感知系統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。在多傳感器數據融合的基礎上，目前國內外已開發了基于攝像頭的水下圖像增強、作業對象辨識及其評估、環境感知及其可視化、組合導航定位等技術，并且有相關產品取得應用業績。隨著人工智能、圖像處理、大數據等技術在水下機器人上推廣應用，集成了多種傳感器設備、具備針對特定應用場景對應功能的嵌入式傳感器系統將成為新的水下綜合智能感知技術發展趨勢。比如，集成水下視覺、聲吶、慣導、聲學定位系統和DVL 多種傳感器信息的組合導航定位及水下三維在線重構技術，可滿足不同場景下的水下高精度導航定位及基于增強現實技術的輔助作業需求；水下全視景攝像頭及其綜合顯示技術，將目前自動駕駛領域的熱門技術應用到水下作業領域，實現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；基于數字孿生、元宇宙技術的水下智能工廠運維技術，通過構建水下作業場景、作業對象、作業機器人系統模型，采集作業現場海量傳感器信息，可實現機器人全生命周期管理和風險預測，降低了人員干預度。

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

路徑規劃是水下大范圍智能化作業的基礎，其不僅要考慮目標對象和目標路徑，還要掌握自身的位置信息，這樣才能形成閉環控制。當前用于水下定位導航的系統有多種，如慣性導航系統、重力導航、海底地形導航、地磁場導航、引力導航、陀螺儀和多普勒計程儀等，但是每個系統都有不足，當前最常用的方式還是聲學定位與慣性導航的組合。聲學定位能實現高精度的絕對定位，但是因為深海遠距離傳輸，需要時間較長；而慣性導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。聲學定位系統也分為超短基線（USBL）、短基線（SBL）和長基線（LBL），各個系統的復雜程度不一樣，可以根據工程的實際需要進行配置，如表5所示。水下機器人通過聲學定位，得到自身和聲學定位系統的相對位置，然后與聲學定位裝置的絕對位置相結合，就可以知道自身在水下的絕對位置。

表5 聲學定位系統與慣性導航系統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能力時，水面控制將是水下機器人作業的重要一環。因此，需要將水下環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備。此外，多個水下設備之間也需要通過通信聯系。當前主要的通信方式有光纖通信、聲學通信、無線電和可見光通信等。光纖通信用于實現水下機器人與水面設備之間的大容量、低延時、高可靠通信，其缺點在于需要通信者之間存在實質性的物理連接，限制了機器人的作業范圍和機動性能。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。無線電通信對應的帶寬比聲學通信的高，但由于無線電信號在水下易衰減發散，因此通常無線電通信距離比較短?？梢姽馔ㄐ攀且环N新興技術，為未來水下設備之間高速、大容量無線通信提供了可能。

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

深海作業過程具有大量不確定因素，不僅作業環境感知難度大，而且還依賴操作員的技術水平。當前普遍采用機器半自主運動和人工介入相結合控制方式，以提高作業效率。如，自適應的推進器協同矢量分配控制、多類型走行機構的穩定行走控制、自動定高及定深控制、自動航向角控制、路徑跟隨等。隨著自主導航、通信技術和聲學成像技術的發展，研究人員正在逐步將先進控制技術和智能化技術應用在深海作業領域。比如，基于視覺伺服的機器人運動控制在水下作業機械臂和遙控機器人的對準定位控制方面的應用，解決了傳統機器人遠程操作時面臨的空間三維坐標感知困難、精細化運動操控困難等問題；基于岸基遙控的遠程作業技術，通過將機器人操作人員從母船甲板轉移至陸地超遠程操控中心，極大地削弱了海況對海底作業的制約，降低了母船運維成本，具有巨大的市場應用價值。此外，自動避障及路徑規劃技術也在陸續被嘗試應用于深海作業機器人領域，以實現水下機器人群和水面母船群的多智能體無人化協同作業。

為實現深海作業的少人化發展和設備的遠程運維，其作業過程需要使用機器自主作業與岸基遙控技術相結合的方式。這樣，一方面需要進一步提高機器的智能化程度，以解決作業過程的目標識別、動作規劃和執行閉環問題；另一方面，需要解決機器與海底通信基站的高速聲學通信或者水面浮標與衛星鏈路的寬頻帶、小延時實時通信問題，以保障岸基能及時介入水下作業操作。

2.2 高效供能與驅動技術

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電機為主，為了達到綠色用能的要求，需要水下作業過程實現高效用能；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及絞車的體積和重量，因此，深海作業機器人的用能效率直接決定了整個系統的大小和船舶的負荷能力。深海作業機器人不僅需要驅動本體行走，同時還需要驅動工具進行作業。當前主流的驅動方式是電液傳動［13］，即先通過電機驅動泵，泵再通過控制閥驅動相應的液壓馬達。這種方式的優點在于驅動系統穩定、成熟，同時能夠共用油路實現能量共享；不足之處是液壓系統的效率低，從甲板供電到作業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，系統成本較高，難有降本的空間。

通過電力柔性可控技術可以提高電能傳輸效率，從甲板到水下設備的能效在80%以上；再加上電動化部件的技術更新和成本下降，整個系統簡化后成本競爭優勢增強，也滿足了綠色無油化發展要求。目前的技術難點是，行業內沒有適應深海高壓強環境的電力電子器件及應用標準，所用的電動化部件都需要通過反復試驗及改裝才能實現。目前已經研制成功的電動化部件和整機有：集永磁電機、磁齒輪和變頻驅動器于一體的水下三合一推進器，其驅動功率達到30 kW，能效達到93%；將水下高壓直流變換為低壓直流的DC-DC變流器，能效達到98%；利用低壓DC-DC和DC-AC構成的水下直流組網及負載驅動系統，整個系統的能效達到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、電驅采礦車也完成了相應的工程化驗證，這證明了電動化技術是可以滿足全海深的行走驅動、推進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

隨著海底工廠相關技術的發展，深海作業機器人也會朝著無支持母船的方向發展，這就需要考慮水下充電樁和無線充電相結合的能量補給方式，同時需要解決水下充電過程中的精準對接和大儲能問題，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 系統輕量化集成技術

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，系統集成設計顯得十分重要。首先，需要依據水下機器人作業任務， 結合使用條件進行總體布局設計，對其總體結構、流體性能、動力系統、控制與通信方式進行優化，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荷能力、續航能力和工作效率，減小運行阻力和成本，不僅要考慮整個水下結構的構型及布局，更需要通過材料和工藝結合實現其輕量化和緊湊化設計，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，并結合受力分析進行鏤空設計，盡量使用碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等新型復合材料替代金屬材料，充分發揮復合材料密度小、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，支撐結構件、行走履帶、液壓管道采用復合材料。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殼體，使分線盒、電機及螺旋槳控制器等部件內部都充滿油類介質，通過壓力補償和密封實現內部和外部壓力的平衡，整個系統取消承壓艙部件。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、作業反作用力等約束，實現最大的載荷量。

未來，隨著納米技術、智能材料和數字制造技術的發展，復合材料的性能將得到進一步提升，也將進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，提高移動作業的效率［15］。

3 產業發展挑戰及相關建議

建設海洋強國，需要高端裝備提供支撐。當前，我國從事深海重型作業機器人研發的企業較少，尚未形成一整套從科學研究、產品制造到應用服務的研發體系，且與國際先進水平存在一定差距，主要體現在制造工藝和關鍵部件技術兩個方面。我國科技成果轉化能力和精密專業制造能力薄弱，尤其是在精細化生產制造技術和高標準工藝設備上存在缺失，在目前市場需求量不大的背景下，難以形成專業從事深海重型作業裝備制造的產業鏈，科研院所及高校的研究成果不能及時有效地向應用工程轉換，從而導致科研樣機數量多過實際工程產品。另外，我國海工裝備的基礎及關鍵部件技術還有待提升。雖然我國解決了較多深海重型作業機器人關鍵部件的有無問題，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上；而且，我國對這些關鍵部件的研發投入較少，市場驅動力不足，相關制造廠商缺乏對其持續攻關的動力。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從單一客戶競爭轉為供應鏈之間的競爭，目前國內由于市場驅動力有限，各相關行業參與的力度不足，需要國家從戰略高度牽引打造供應鏈體系。

針對以上問題，筆者認為我國深海重型作業機器人產業需要從以下兩個方面獲得發展：一是需要構建產、學、研、用產業協同體系，促進產業標準化建設，即以海洋資源開發實際需求為導向，形成一套以專業制造企業為鏈長企業，聯合用戶、上下游企業、科研院所和高校，包括科學研究、產品開發和生產服務的完整社會分工體系，并隨著體系建設的深入，實現各子部件的模塊化、標準化設計，從而形成相應的行業規范或國家標準，以促進整個深海作業裝備的技術性能提升和制造流程簡化；二是發揮我國有組織科研的優勢，成立特種研究實驗室，引導各行各業都來為海工裝備研發服務，實現各部件性能的提升，形成產業聯盟，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。