多關節水下機器人方案設計與關鍵技術應用

韓 濤，胡志強，崔慶佳，秦曉輝，徐 彪

（1. 湖南大學無錫智能控制研究院，江蘇 無錫 214115；2. 中國科學院沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；3. 中國科學院 機器人與智能制造創新研究院，遼寧 沈陽 110169；4. 湖南大學 機械與運載工程學院 整車先進設計制造技術全國重點實驗室，湖南 長沙 410082）

0 引言

水下機器人，又稱水下無人航行器（unmanned underwater vehicle， UUV），按照工作方式，可分為自主水下機器人（autonomous underwater vehicle， AUV）和遙控水下機器人（remotely operated vehicle， ROV）。自1957 年華盛頓大學研發出第一臺可實用AUV——“專用水下研究飛行器SPURV”［1］且被應用于水文調查后，AUV逐步進入公眾視野。AUV因具有模塊化程度高、可拓展性強、移動速度快等優點，被廣泛應用于環境和科學考察［2］、石油工業和海洋采礦業［3］以及海底地貌學研究［4］等領域。此外，AUV 作為反水雷、反潛、偵察和潛艇作戰的重要裝備，在軍事上也發揮了重要作用［5］。

國外，AUV 發展已近70 年歷程，美國、英國、日本和加拿大等發達國家已經發展出了一系列具有代表性的商業化產品，占據了絕大部分的商用市場份額［6］，如美國的Hydroid公司的Bluefin系列、挪威Kongsberg公司的REMUS 系列和HUGIN 系列、美國Teledyne 公司的Gavia 系列等［7］。但受水下能源技術、通信和定位技術的限制，AUV 仍然是目前研究的熱點，新技術的開發與應用促進著更多的新產品不斷涌現。

在國家高技術研究發展計劃（簡稱“863計劃”）支持下，我國于1994 年成功研制出了第一臺AUV—“探索者”號。近30 年來，在國家各部門和組織的支持下，以中國科學院沈陽自動化研究所為代表的科研院所研制出了一系列水下機器人產品及配套載荷，其中一些型號產品性能指標已達國際前列水平，如“潛龍”系列AUV 和“探索”系列AUV 等［8］。但在AUV 的商業化進程上，我國相較國外仍有較大差距，缺少一批商業規模大、產品市場占有率高的商業化公司。

1 當前自主水下機器人發展面臨的問題及發展方向

在水下能源、通信和定位等關鍵技術未取得突破性進步的當下，隨著經濟發展，人們在深海領域的探測愈發深入，單個AUV 的作業能力已不足以滿足需求。為解決單個AUV可搭載的載荷數量有限、探測范圍較窄等問題，將多AUV編隊后進行集群應用是現今主流的作業方式［9］。AUV的集群應用具有以下特點：

（1） 通過大規模集群擴大水下作業范圍；

（2） 通過異構AUV集群實現多種作業能力；

（3） 通過協同探測實現水下高效感知。

但該方案一方面仍未解決單個AUV 攜帶能源有限、作業時間短等問題，且在AUV集群應用時，單體間使用聲吶、光學等設備進行信息交互進一步加大了設備載荷的整體耗能水平；另一方面目前階段的AUV的集群控制策略、集群控制算法仍需完善，距離穩定可用還需要作進一步探索。

為提高單個AUV 的運動靈活性，增強單個AUV續航能力與作業能力，將多AUV 合為一體，即多體AUV的開發是目前研究的一個重要方向，本文旨在研究鏈式多體AUV。鏈式多體AUV具有以下特點：

（1） 通過外形重構實現功能的疊加和增強；

（2） 通過改變外形提升水下作業能力；

（3） 通過換裝模塊化載體拓展水下作業類型。

對現有的具有代表性的鏈式多體AUV進行調研，如2016 年由R.Mills 等人開發的Eelume2、在Eelume2基礎上開發的EELY500［10-11］，及沈陽自動化研究所的康帥等人于2018 年設計的具有分布式推進系統的水下機器人［12-13］。從這些項目中可以發現，為增強鏈式多體AUV運動能力，現有的方案多采用外掛推進器的方式來實現，但增大了AUV的最大外徑，降低了AUV的通過性與以及在狹窄空間的作業能力。

針對上述單個AUV 作業能力不強及現有鏈式多體AUV存在的問題，本文提出了一種多關節水下機器人（簡稱“多關節AUV”）。該多關節AUV 由若干功能載體與一個基本載體經連接關節串聯而成，搭載的載荷類型與數量可根據實際需要自行選擇；根據任務需求還可作為自航或基于底座的水下機械臂使用，具有通過性好、靈活性強、作業時間長和作業能力強等特點。

2 多關節水下機器人總體方案設計

2.1 總體設計方案

秉承模塊化設計理念，多關節AUV整機由3部分構成，分別為基本載體、功能載體和連接關節?；据d體是多關節AUV 基本構成單元，承擔控制、通信等功能。功能載體是多關節AUV 的基本功能單元，通過使用不同的功能模塊，可以為多關節AUV附加不同的功能，如增強推進能力、增強操縱性、實現聲吶成像和增加續航等。連接關節是多關節AUV改變工作模式的基本執行機構。如圖1 所示，通過關節的轉動，使多關節AUV在直航模式與工作模式之間互相切換，直航模式下多關節AUV 航行阻力最小，工作模式下多關節AUV通過形狀的改變以實現更為精準全面的探測。

圖1 多關節AUV 總體設計方案Fig. 1 Overall design scheme of a multi-joint AUV

該多關節水下機器人具有以下特點：

（1） 模塊化程度高、拓展性強。各功能組件高度模塊化，可選擇搭載的典型載荷有溫鹽深儀（conductivity， temperature， depth， CTD）、水下攝像機、側掃聲吶、合成孔徑聲吶、水質檢測儀和聲學模塊等。為了便于使用者快速更換功能艙段，一方面使用了快拆接口，僅需拆裝四顆螺釘即可實現功能艙段的更換或加裝；另一方面，功能艙段為中性浮力配置，功能艙段的換裝不會對AUV 整體的浮力狀態產生影響［14］。

（2） 操控性能好、自由度高度冗余。多關節AUV除基本的槳舵操縱機構外，還配備了操縱艙段和矢量推進艙段，除增強了AUV 的操縱性外，還在一定程度上更靈敏地遏制AUV 在執行任務中所受到的亂流擾動。

（3） 通過性好、可在狹窄空間開展作業。多關節AUV 的功能載體和基本載體艙段直徑均為3 英寸（76.2 mm），且在水下航行時用于通信的天線處于折疊狀態，不會影響AUV的通過性。

（4） 集成化程度高、結構穩定可靠。

2.2 系統組成與關鍵技術

圖2示出多關節AUV的功能載體與基本載體。其中，功能載體包括操縱艙段、電源與控制艙段、矢量推進艙段及其他支持的功能艙段?；据d體包括操縱艙段、電源與控制艙段、天線艙段、后操縱艙段、舵操縱艙段及艉部推進器。

圖2 多關節AUV 的功能載體和基本載體Fig. 2 Functional and basic carriers of multi-joint AUV

功能載體與基本載體都具備自航行能力。本項目研發分為兩個階段，目前正在進行第一階段。第一階段是將功能載體與基本載體直接通過關節串聯在一起形成多關節AUV；下一階段將逐步實現功能載體與基本載體的自主水下對接，通過對接形成多關節AUV。

在開發多關節水下機器人的過程中形成了一些關鍵技術：（1） 一體化集成設計技術；（2） 微型射流操縱技術；（3） 微型矢量推進技術；（4） 多維度連接關節技術；（5） 微型折疊天線技術。后面將針對這些關鍵技術進行詳細介紹。

3 多關節水下機器人關鍵技術應用

3.1 微型射流操縱技術

為提高多關節AUV的操縱性，在操縱艙段內水平方向對稱布置了2個射流推進器，在豎直方向布置了一個槽道推進器。各推進器作用力示意及操縱艙段模型如圖3所示，在水平方向對稱布置的2個射流推進器可同時工作，并可根據水平擾動力的大小，差速調整射流推進器的轉速，以更好地維持AUV的航向。布置在豎直方向的槽道推進器可控制多關節AUV的俯仰角，或與其他槽道推進器一同工作以實現AUV的垂直上浮或下潛。

圖3 推進器推力示意與操縱艙段模型Fig. 3 Schematic diagram of propeller thrust and control cabin model

圖4示出操縱艙段內部結構原理?？梢钥闯?，在水平方向對稱布置的射流推進器不同于常見的槽道推進器，射流推進器的流道入口與流道出口位于同側，流道入口圓形環繞在流道出口四周。槽道推進器通過正反轉來控制推進器，只在單獨一側產生推進力；而對稱布置的2 個射流推進器可同時工作，即可在兩側同時產生推力，進一步提升了AUV的操縱性。

圖4 操縱艙段內部結構原理Fig. 4 Principles of the internal structure of the control cabin section

圖5（a）為射流推進器的樣機。該樣機與力傳感器相連，并通過變送器測量接入推進器的電流與電壓。將推進器浸入水池中進行系泊試驗，結果如圖5（b）所示?？梢钥闯?，射流推進器在100 W時，可產生8～9 N的推力。

圖5 射流推進器樣機及推力試驗Fig. 5 Jet propulsion prototype and thrust test

圖6（a）為槽道推進器的物理樣機。同樣將其接入力傳感器與變送器浸入水池中進行系泊試驗，結果如圖6（b）所示?？梢钥闯?，槽道推進器在100 W 時產生的推力為11～12 N。

圖6 槽道推進器樣機及推力試驗Fig. 6 Prototype and thrust test of channel thruster

3.2 微型矢量推進技術

鏈式多體AUV通常在AUV艙體外側附加推進器來為AUV提供前進推力。這種方式的缺點在于外附式推進器的使用增大了AUV 的最大外徑，減弱了AUV在狹窄空間的通過性。為了避免在給多關節AUV提供前進推力的同時減弱AUV的通過性，本文設計了矢量推進艙段。圖7 示出矢量推進器艙段的模型及布置在多關節AUV 中的作用力效果?？梢钥闯?，矢量推進艙段在為多關節AUV產生前進推力的同時，沒有增大多關節AUV 的最大外徑，對多關節AUV 的通過性沒有產生不良影響。

圖7 矢量推進艙段及推力示意Fig. 7 Schematic diagram of vector propulsion cabin and thrust

圖8 示出矢量推進艙段內部原理及作用效果?？梢钥闯?，流道入口與流道出口也位于同側，流道入口垂直于AUV軸向方向，流道出口沿著AUV軸向方向；并且在水平方向對稱布置了2 個矢量推進器，減速電機驅動蝸桿同步轉動2 個推進器，使推進器在一定范圍內可以改變推進方向。

圖8 矢量推進艙段內部原理及作用效果圖Fig. 8 Internal principle and effect diagram of vector propulsion cabin section

在計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）軟件中對矢量推進艙段的沿軸推力（即x軸方向力）、橫滾力矩、俯仰力矩及槳葉的轉矩進行仿真計算，結果如表1所示。

表1 射流推進艙段仿真結果Tab. 1 Simulation results of jet propulsion cabin section

從表1 可知，射流推進器槳葉轉速在8 000 r/min時產生的推力為4 N，滿足設計指標；且此時的橫滾力矩、俯仰力矩和槳葉轉矩數值較小，在可控范圍之內，不會對多關節AUV的航行穩定性產生影響。

3.3 微型折疊天線技術

由于多關節AUV耐壓艙內部空間和搭載的電池能量密度有限，且天線部件中集成的天線在水下往往無法使用，可通過將天線部件在水下折疊的方法，降低微型AUV的水下航行阻力，提高其續航能力［15］；同時，還可以減少天線導致的AUV艉部流場不穩定等問題，從而降低AUV的航行噪聲，提高推進器的工作效率［16］。

按照天線升起與折疊狀態下的對應位置使用解析法設計四連桿機構［17］，以實現天線的折疊與升起。折疊天線機構使用舵機驅動，其驅動機構位于艙段耐壓艙內部，與折疊機構通過一組錐齒輪嚙合傳動。驅動機構中使用一組齒數比為1∶2 的直齒輪實現減速增矩，且通過在傳動軸上布置兩個O形圈實現傳動軸的動密封。折疊機構模型如圖9所示。

圖9 折疊天線機構模型Fig. 9 Model of folded antenna mechanism

在Adams 軟件中進行該折疊天線機構的運動學與動力學仿真。首先，對主動件即舵機所連小齒輪添加旋轉副驅動來模擬舵機的轉動，其角速度被設定為200 °/s；其次，根據在樣機中擬使用的材料設置各零件的材料密度；最后，根據相對運動關系，添加相互接觸的零部件的摩擦系數，其中靜摩擦系數被設置為0.5，動摩擦系數為0.3。在前置條件設定完成后運行仿真，提取舵機輸出轉矩曲線和天線升起時的角速度幅值曲線，其結果如圖10所示。

圖10 天線折疊機構運動學與動力學仿真結果Fig. 10 Kinematics and dynamics simulation results of antenna folding mechanism

從圖10中可以看出，天線升起過程中所需舵機最大輸出轉矩為0.05 N·m，小于所選舵機（KST-X08H）在200 °/s下的額定轉矩（0.14 N·m），可知舵機滿足使用要求。天線機構的運動范圍為0°～90°，符合設計要求，能夠覆蓋從水平折疊到豎直升起的整個微型AUV所需要的運動范圍。從天線升起時的角速度幅值曲線可以得知，當機構運行0.11 s、天線升起到38.5°時，天線角速度達到最大值約400 °/s；之后，天線升起角速度緩慢降低，直到天線完全升起且角速度為0 °/s時止，整個過程用時約0.5 s。該過程角速度過渡比較平穩，不會對驅動系統造成沖擊，有助于折疊天線機構的穩定運行。

在物理樣機中進行天線的通信試驗與折疊機構的折疊試驗。通信試驗結果表明，GPS、WiFi 和無線電通信效果皆良好。折疊天線升降的試驗現場如圖11 所示。試驗中，天線折疊機構可正常運行，其中升起用時不到1 s，與仿真結果相近，但最大升起角度僅75°。通過觀察得知，導致這一結果的主要原因在于WiFi、無線電和GPS天線被灌封安裝到天線支架上后，天線與耐壓艙內部通信設備相連接的線纜彈性較強，給天線升起帶來了額外的阻力，導致天線無法升起至預定的角度，但最大升起角度為75°不影響微型AUV 的水面航行通信功能。后續將考慮通過使用線材較軟的饋線來解決最大升起角度偏小問題。

3.4 多維度連接關節技術

在多關節AUV整體結構中，功能載體與功能載體間、功能載體與基本載體間均使用關節來進行連接。根據關節上有無驅動器，可將關節分為被動式連接關節和主動式連接關節，驅動器的作用是為多關節AUV構型的改變提供驅動力矩。本文分別對被動式與主動式連接關節進行了結構設計，并提出了以下幾點要求，作為被動式與主動式連接關節設計時皆要考慮的因素：

（1） 關節轉動時結構在各方向均無干涉；

（2） 連接穩定可靠，關節可承受足夠的抗彎與抗拉力矩；

（3） 還需設計相應的結構來為關節前后載體提供數據與能源傳輸，進而使多關節AUV成為一個整體。

圖12為被動式連接關節結構?？梢钥吹?，被動式連接關節包括上下連接法蘭、穿線螺紋孔及兩個法蘭之間的轉接件，該結構具有運動靈活，運動時沒有死區且上下法蘭連接單元的最大轉動角度可達90°，滿足使用需求。另外，為了使關節連接的鄰近單元實現數據與能源傳輸，使用了穿線螺栓來實現線纜的穿艙與密封。相對于水密接插件，穿線螺栓在做到安全可靠的基礎上減小了軸向長度，從而減少連接件對關節的運動影響。該關節內部屬于滲水艙，沒有做密封處理。為了使多關節AUV具有良好的水動特性，在關節安裝完成之后在外表面覆以橡膠薄膜，以減小多關節AUV在運動時產生的流體阻力。

圖12 被動式連接關節結構Fig. 12 Structure of passive connection joint

圖13為主動式連接關節的結構，其主要包括上下連接法蘭、上下穿線螺孔、軸向舵機和垂向舵機。該主動式連接關節是一個具有二自由度的連接關節，其中，軸向舵機提供繞關節軸線轉動的自由度與驅動力矩，垂向舵機提供繞垂向舵機輸出軸轉動的自由度與驅動力矩，且垂向舵機輸出軸的中線與關節軸線相垂直。該關節在線纜的穿艙處理方式、外表面的覆膜處理與被動式連接關節相同，不再贅述。

圖13 主動式連接關節結構Fig. 13 Structure of active joint

4 試驗驗證

4.1 樣機研制

為了驗證多關節AUV的基本航行性能，我們制備了多關節AUV 的基本載體樣機。多關節AUV 基本載體物理樣機與其在水池內初步試驗如圖14～圖15所示。

圖14 多關節AUV 基本載體樣機Fig. 14 Multi-joint AUV basic carrier prototype

圖15 多關節AUV 基本載體樣機水池試驗Fig. 15 Water tank test diagram of a multi-joint AUV basic carrier prototype

4.2 功能試驗

多關節AUV 基本載體樣機先后在沈陽市棋盤山秀湖水域、大連小長山島渤海海域開展試驗與調試工作，圖16 示出在大連小長山島渤海海域的試驗照片。首先測試3 英寸AUV 水面航行時接收GPS 信號的穩定性及定向航行的性能。試驗過程中，多關節AUV 基本載體樣機在水面航行狀態下，通過控制折疊機構使天線處于升起狀態。試驗結果表明，WiFi 與無線電信號良好，滿足水面數據傳輸要求；GPS在水面航行過程中可穩定獲取衛星定位信號，在航行過程中，航向保持穩定。

圖16 多關節AUV 基本載體樣機在大連小長山島渤海海域試驗Fig.16 Experimental on the multi-joint AUV basic carrier prototype in the Bohai Sea area of Xiaochangshan Island,Dalian

之后進行水下定深定向航行調試。定向變深度航行的結果如圖17 所示。在試驗過程中，使天線處于折疊狀態，將目標航向角設定為105°，0～300 s 時期望深度設為2 m，300～540 s 時期望深度設為3 m。從圖17（a）的深度控制曲線中可以看出，多關節AUV基本載體樣機具備定深調節能力且可按照預設任務自主變化航行深度，深度穩定后，深度誤差不大于±0.1 m；從圖17（b）的航向曲線中可以看出，在進行定深航行同時，航行保持穩定，在航行穩定之后，航向誤差不大于±1°。

圖17 定向變深度航行Fig.17 Directional variable depth navigation

5 結束語

本文提出了一種多關節AUV設計方案，該多關節AUV由若干功能載體與一個基本載體構成。文章闡述了功能載體與基本載體的結構構成，詳細說明了其中使用的若干關鍵技術及工作原理，并研制了多關節AUV 基本載體的物理樣機。通過湖上、海上試驗驗證了，多關節AUV具備基本的航行性能。

雖然基本載體的樣機試驗驗證了多關節AUV 的基本航行性能，但仍存在一些不足，需要完善：（1）未能形成多關節AUV功能載體的樣機，未能進行整機的試驗，整機的控制策略與控制算法可行性需要試驗驗證；（2）目前僅形成了多關節AUV 整機的設計方案，對于可進一步增強作業能力的一些輔助裝置，如機械臂等尚未進行研制。