水下机器人简介

李洋 09生物技术2班 20090101310040

摘要：本文主要介绍水下机器人发展的现状，和目前一些水下机器人的一些主要研究成果，从目前技术的水平以及人们对水下机器人的需求预测未来水下机器人的发展趋势。

关键词：水下机器人应用发展现状发展趋势

1 概述

水下机器人，也称无人遥控潜水器。一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。从1953年美国研制出世界上第一艘无人有缆遥控潜水器到现在，其发展大致经历了三个阶段：

1.1第一阶段

从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。

1.2第二阶段

1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。

1.3第三阶段

1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。世界上许多国家开始研究各类用途的潜水器，如民用潜水器、军事潜水器等，并且取得了许多关键技术的突破和一些新的研究成果。80年代以来,中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出“海人”1号(HR-1)水下机器人,成功地进行水下实验。

2 水下机器人应用

水下机器人之所以在近些年来一直受到许多国家的青睐，是因为它在许多方面有着重要的应用，多一个国家的经济、军事等的方面的发展，起着重要的作用。

2.1在军事方面的应用

水下机器人在军事上应用领域非常广阔，主要的应用领域有：

（1）水雷对抗。美国现役的“近期水雷侦查系统”以及正在开放的“曼塔”水下机器人的主要用途就是鱼雷对抗。因此，水下机器人的应用极大地提高了各国海军的水雷对抗水平。

（2）情报搜集。水下机器人可以执行潜艇或者睡眠舰艇的进行路径，侦查敌人港口或者海岸区的军事活动情况，见识雷区与海上通道等情报搜集任务。（3）海洋环境监测。

（4）通信中继。在某些特殊的领域通信条件受到限制时，可以利用水下机器人作为通信接口，完成通信任务。

（5）其他军事领域的应用。例如后勤支援与深水救援等。

2.2管道容器检查方面的应用

（1）市政饮用水系统中水罐、水管、水库检查

（2）排污/排涝管道、下水道检查

（3）洋输油管道检查

（4）跨江、跨河管道检查

2.3船舶河道海洋石油方面应用

（1）船体检修；水下锚、推进器、船底探查

（2）码头及码头桩基、桥梁、大坝水下部分检查；

（3）航道排障、港口作业

（4）钻井平台水下结构检修、海洋石油工程

2.4科学研究教学方面应用

（1）水环境、水下生物的观测、研究和教学

（2）海洋考察

（3）冰下观察

2.5水下娱乐方面应用

（1）水下电视拍摄、水下摄影

（2）潜水、划船、游艇

（3）看护潜水员，潜水前合适地点的选择

2.6能源方面应用

（1）核电站反应器检查、管道检查、异物探测和取出

（2）水电站船闸检修；

（3）水电大坝、水库堤坝检修(排沙洞口、拦污栅、泄水道检修)

2.7安全方面应用

（1）检查大坝、桥墩上是否安装爆炸物以及结构好坏情况

（2）遥控侦察、危险品靠近检查；

（3）水下基阵协助安装/拆卸

（4）水下目标观察，废墟、坍塌矿井搜救等；

（5）搜寻水下证据(公安、海关)

（6）海上救助打捞、近海搜索；

3 水下机器人的发展现状

3．1 国外水下机器人发展现状

国外水下机器人技术的发展，主要以美国、日本以及西方发达国家为代表，他们的发展技术几乎可以代表了全世界水下机器人技术的发展水平。\著名的一些研究机构有美国麻省理工学院MIT Sea Grant’s AUV实验室、美国海军研究生院智能水下运载研究中心、美国伍慈侯海洋学院、美国佛罗里达大西洋高级海洋系统实验室、美国缅因州大学海洋系统工程实验室、美国夏威夷大学自动化系统实验室、日本东京大学机器人应用实验室、英国还是技术中心等。

美国是最先发展水下机器人的国家，他们掌握着水下机器人较高的技术水平。由美国海军研究生院的Phoenix AUV 和性能更优越的 Aries AUV ,主要用于研究智能控制、规划与导航、目标识别等技术; 麻省理工学院的智能机器人Odyssey II 主要用于海冰下的检测和标图; 斯坦福大学的 OTTER 的研究目的是使其成为科学和工业界在开发海洋的一种常用工具; 美国的新罕布什尔州自主水下系统研发所与俄罗斯远东科学院水下技术研究所联合开发出太阳能自主水下机器人 ,其计划的最终目的是开发一艘具有超过一年续航力的太阳能自主水下机器人[3]。美国麻省理工学院(MIT)的布鲁克斯(RodneyA. Brooks)模拟人类大脑物理结构的基于连接主义的反射性 ,以移动式机器人研究为背景 ,提出以一种依据行为来划分层次和构造模块的思路[4]。它的特点基本与分层递阶体系相反。

日本凭借其在智能机器人先进技术的优势，在水下机器人方面也不甘落后，取得了突跃式的进步，并且成为这个领域的佼佼者。智能水下机器人是将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、系统集成等技术应用于传统的载体上 ,在无人驾驶的情况下自主地完成复杂海洋环境中预定任务的机器人[4]。日本对于无人有缆潜水器的研制比较重视，不仅有近期的研究项目，而且还有较大型的长远计划。目前，日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业，完全取代目前由潜水人员去完成的危险水下作业。

欧洲方面，根据欧洲尤里卡计划，英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良，能在6000米水深持续工作250小时，比现在正在使用的只能在水下4000米深度连续工作只有l2小时的潜水器性能优良的多。按照尤里卡EU-191计划还将建造两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水器，主要用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用于水下测量。这项潜水工程计划将由英国；意大利、丹麦等国家的l7个机构参加。

法国方面，1980年法国国家海洋开发中心建造了“逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜深为6000米。1987年，法国国家海弹开发中心又与一家公司合作，共同建造“埃里特”声学遥控潜水器。用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度要比“逆戟鲸”号高许多。1688年，美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作，投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。1990年，无人无缆潜水器研制成功，定名为“UUV”号。这种潜水器重量为6.8吨，性能特别好，最大航速10节，能在44秒内由0加速到10节，当航速大于3节时，航行深度控制在土1米，导航精度约0.2节/小时，潜水器动力采用银锌电池。这些技术条件有助于高水平的深海研究。

3.2 国内水下机器人的发展现状

我国从上世纪70年代开始较大规模地开展潜水器研制工作,起步较其他发达国家晚了很多，但是在过去的几十年内，我国水下机器人技术的发展还是取得

了很大的进步，并且取得了一些重要的成果。我国先后研制成功以援潜救生为主的7103 艇(有缆有人)、I型救生钟(有缆有人)、QSZ 单人常压潜水器(有缆有人)、8A4 水下机器人ROV (有缆无人)和军民两用的HR—01 ROV,RECON IV ROV 及CR- 01A 6000m 水下机器人AUV (无人无缆)等, 使我国潜水器研制达到了国际先进水平[2]。2011年7月26日上午，中国载人潜水器“蛟龙”号在第二次下潜试验中成功突破5000米水深大关，最大下潜深度达到5057米，创造了中国载人深潜新的历史，“蛟龙号”载人潜水器5000米深潜成功，意味着中国载人深潜水平已位居世界前列。标志着中国具备了到达全球70%以上海洋深处进行作业的能力，极大增强了中国科技工作者进军深海大洋、探索海洋奥秘的信心和决心。4水下机器人的发展趋势

21 世纪将是海洋的世纪, 随着技术的进步, 各式各样的水下机器人将以更快的速度发展起来看, 将采用遥控、监控、预编程、局部自治或其组合等, 这会使水下机器人的应用更加广泛。随着陆地资源和能源的日益缺乏，越来越多的科学家开始把目光转向了海洋，这无疑会极大地促进水下机器人技术的发展，在未来，那个能率先掌握更发达的水下机器人技术，他就会掌管巨大的海底资源。但是目前水下机器人技术方面还存在一些难题。例如水下遥控机器人水下大数据率的信息传输仍无法以无缆的形式彻底解决[3]。

未来水下机器人发展趋势有以下见点：一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，实施处理资料和进行数字控制；三是潜水器上的机械手采用多功能，力反馈监控系统：四是增加推进器的数量与功率，以提高其顶流作业的能力和操纵性能。在无人潜水器（UUV）动力方面，高能量密度的燃料电池和小型紧凑型热气机是未来 UUV动力系统的主要发展方向[5]。此外，还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力，这些都会成为未来水下机器人的发展方向。

参考文献：

[1]赵东海.军用无人水下航行器[J].国防技术基础.2003(02)

[2]徐玉如,马鹏超.水下机器人发展趋势[J].自然杂志.2011(03)

[3]桑恩方,庞永杰,卞红雨.水下机器人技术[J].机器人技术与应用.2003（03）

[4]徐玉如,庞永杰,甘永,孙玉山.智能水下机器人技术展望[J].智能系统学报.2006(01)

[5]王晓武,林志民,崔立军.无人潜水器及其动力系统技术发展现状及趋势分析[J].舰船科学技术.2009(08)

低成本水下机器人策划书申报项目：低成本水下机器人申报人：孟永志项目负责人：孟永志申报日期：年4月17日

低成本水下机器人策划书机器人项目创业计划执行概要水下机器人从20世纪后半叶诞生，是工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称无人遥控潜水器，主要运用在海上救援。由于水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人日益成为开发海洋的重要工具。在军事斗争中，无人化作战平台将在未来现代化战争中发挥重要的作用，无人舰艇将与无人地面战车、无人飞机一起在战场上进行高效卓越地作战。另外，无论战争期间还是和平时期，水下机器人还可以定期对航道、训练场、舰艇机动区实施定期或不定期检查，保障这些水域的作业安全。载人潜水器由人工输入信号操控各种动作，由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境。其优点是由人工亲自做出各种核心决策，便于处理各种复杂问题，但是人生命安全的危险性增大，由于载人需要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系统，这将为潜水器带来体积庞大、系统复杂、造价高昂、工作环境受限等不利因素。有缆水下机器人（ROV）需要由电缆从母船接受动力，并且ROV不是完全自主的，它需要人为的干预。主要由水面设备（包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器和潜水器本体）组成。潜水器本体在水下靠推进器运动，本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清洗器等）。潜水器的水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视，电缆向本体提供动力和交换信息，中继器可减少电缆对本体运动的干扰。由于人们通过电缆对ROV进行遥控操作，电缆对ROV像“脐带”对于胎儿一样至关重要，但是由于细长的电缆悬在海中成为ROV最脆弱的部分，大大限制了机器人的活动范围和工作效率。无缆水下机器人（AUV）又称自治水下机器人、智能水下机器人，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用于同一水下载体上，在没有人工实时控制的情况下，自主决策、控制完成复杂海洋环境中的预定任务使命的机器人。是从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命令，并接受经计算机加工处理的信息，对潜水器的运行和动作过程进行

中国海洋大学工程学院机械电子工程研究生课程考核论文题目： AUV水下机器人运动控制系统研究报告课程名称：运动控制技术姓名：李思乐学号： 21100933077 院系：工程学院机电工程系专业：机械电子工程时间：2010-12-26 课程成绩：任课老师：谭俊哲

AUV水下机器人运动控制系统设计摘要：以主推加舵控制的小型自治水下机器人为研究对象，建立了水下机器人的数学模型并进行了分析。根据机器人结构的特点，对模型进行了必要的简化。设计了机器人的运动控制系统。以成功研制的无缆自治水下机器人(AUV) 为基础，对其航行控制和定位控制方法进行了较详细的分析. 同时介绍了它的推进器布置、控制系统结构、推力分配等方法。最后展示了它的运行实验结果。关键词：水下机器人；总体设计方案；运动控制系统；电机仿真 1 引言近年来国外水下机器人技术发展迅速，技术水平较高。其中，具有代表性的产品有：美国Video Ray 公司开发出的Scout、Explorer、Pro 等系列遥控式水下机器人，美国Seabotix公司研发的LBV-ROV 系列，英国AC-CESS 公司的AC-ROV系列。随着海洋开发、探测的需求越来越强，水下机器人成为全世界研究的热门课题。小型自治水下机器人具有低成本、小型化、操作灵活等特点成为近年来国内外研究的热点。自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,载体采用模块化设计思想, 可根据需要适当增减作业或传感器模块, 载体采用鱼雷状流线外形, 总长约2 m, 外径25 cm, 基本模块包括推进器模块、能源模块、电子舱模块、传感器模块以及GPS、无线电通讯模块, 基本传感器有姿态传感器、高度计、深度计和视觉传感器, 支持光纤通讯, 载体可外挂声学设备, 通过光纤系统进行遥控操作可实现其半自主作业, 也可在预编程指令下实现自主作业。系统基本模块组成设计如图1-1所示[1]。它具有开放式、模块化的体系结构和多种控制方式（自主/半自主/遥控），自带能源。这种小型水下机器人可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行海洋科学研究和深海资源调查，具有更广泛的应用前景。在控制系统的设计过程中充分考虑了系统的稳定性和操纵性。控制器具有足够的鲁棒性来克服建模误差，以及水动力参数变化。图1-1 系统基本模块组成设计 2机器人物理模型 2.1 AUV 物理模型为了研究AUV 的运动规律，确定运行过程中AUV 的位置和姿态，需要建立AUV 的动力学模型。为了便于分析，建立适合于描述AUV 运动的两种参考坐标系，即固定坐标系Eξηζ 和运动坐标系Oxyz，如图2-1 所示：包含5 个推进器，分别是艉部的2 个主推进器、艉部的1 个垂向推进器和艏部的2 个垂向推进器。左右对称于纵中

水下机器人设计概述摘要：由于海洋开发利用越来越受到人们重视，水下机器人有着广阔的应用前景。但是目前为止，还没有成熟固定的水下机器人设计方法。本文通过论述水下机器人的构成、水下机器人的构成、排水量的初步估算、艇形选择、重量重心的计算、浮力浮心的计算、阻力的测定与计算、有效功率的计算等阐明了水下机器人基本的设计思路。此外探讨了计算机在水下机器人设计中的应用。关键字：水下机器人、设计、计算机辅助设计一．水下机器人的构成水下机器人由控制系统、载体、观通系统三大系统组成。控制系统是处理和分析内部和外部各种信息的综合系统，根据这些信息形成对载体的控制功能。观通系统是利用摄像机、照相机、照明灯、声纳、及多种传感器收集有关外界和系统工作的所有信息的装置。而载体则是装载控制系统和观通系统的基础和构架。二．根据选择设备，初步估算排水量跟据水下机器人的用途不同，水下机器的设备也有很大的差别。通常是根据设计任务书，分析各种性能参数，确定出合适的设备。选择设备应该使水下机器人的重量最轻，因为无论是从使用还是从经济性角度讲，排水量越小是越有利的。由于潜水器要保持重量和浮力的平衡，所以可以分别从重量和浮力两个不同的角度研究排水量与各主要要素间的关系。三．艇型选择潜水器根据使命任务和技术要求的不同，其外型尺寸、结构型式都有很大的差异。由于潜水器的航速不高，阻力性能对其外形要求不高，因而除采用水滴形和常规型艇型之外，更多的潜水器外型设计是出于使用维修方便、布置合理等方面考虑，因此其外型可能显得不规则，特别是无人带线遥控潜水器，其典型形式是框架式结构。四．耐压壳材料选择常用的耐压壳有高强度刚、铝合金、钛合金、复合材料（包括玻璃、陶瓷、丙烯酸朔料等等）。由于水下机器人主要受到静水压力的作用，所以选择耐压壳要综合考虑下潜的深度、耐压壳的形状、材料特性等因素。另外由于海水腐蚀性强，耐压壳还要有一定的抗腐蚀的能力。四．潜水器推进与操纵方式选择潜水器由于任务不同，对推进和操纵的要求也不同。但综合起来，潜水器主要要求巡航、搜索和悬停三种水下运行方式。由于在水下有海流存在，为满足潜水器的使命任务，一般要求潜水器在悬停或近乎悬停状态下作6个自由度或者至少5个自由度运动，在水流作用下也能够作相应的机动，因此在选择推力系统时，必须考虑在要求的方向发出推力和力矩。例如其搭配方式可以为：两个可在垂直面内作3600旋转的导管推力器加水平舵和首推力器、并联可旋转的喷水推进器等等。五．阻力的确定。由于水下机器人的主体上搭载的附体较多，且有些机器人的艇形是框架式的，所以用计算流体力学是很难得出其所受的阻力，即便算出也会因为误差太大而无法应用。所以阻力的确定主要是通过试验的方法。如果试验条件限制，或者机器人体积过大，则需要进行模型试验。根据相似理论，满足主要影响因素，保证模型和实体的弗罗德数或者雷洛数相等，测出水下机器人的摩擦阻力系数、形状阻力系数经过换算，得出实体的阻力。

水下机器人一、摘要摘要:无人遥控潜水器，也称水下机器人。一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。本文从过去、现在、未来三个时间段介绍了水下机器人，并且就其中的关键技术也简要做了介绍，全方面的认识了水下机器人。关键字：水下机器人、潜水器、海洋 Abstract :No one remote control submersibles, also called the underwater robot. A kind of work in the limit of the underwater robot homework, can submerge instead of people finish some operating, and calls the scuba machine. Underwater environments are dangerous, the person's diving depth is limited, so underwater robot has become an important tool development of ocean. This article from the past, present, and future three time underwater robot is introduced, and the key technology is briefly introduced, all aspects of the understanding of the underwater obot. Key words: underwater robot、scuba machine、ocean 二、引言海洋这一广阔的水域，蕴藏着丰富的矿产资源、海洋生物资源和能源，是人类社会可持续发展的重要财富。研究和合理开发海洋，是对人类的经济和社会发展具有重要的意义。随着科学技术的发展，人类已经进入了开发和利用海洋的时代。在各种海洋技术中，作为用在一般潜水技术不可能到达的深度进行综合考察和研究并能完成多种作业的水下机器人，使海洋开发进入了新时代。从20世纪30年代，美国研制出了第一台现代意义上的潜水器开始，无人遥控潜水器，也称水下机器人，开始进入人类的发展史，虽然只有短短的几十年，但其却发挥了极大的作用，为人类在海洋等水域的探索开发提供了有力的支持。由于水下机器人目前多用于海洋，故也可称为海洋机器人。而且水下作业对于人来说是一项危险作业，特别是在深海作业更加的危险，在10000米深的深海中，其压力是地面压力的1000倍，那里是迄今为止人类难以到达的地方。海底，特别是深海海底对人类还是一个未知世界。水下机器人主要用于海洋开发、打捞、扫雷、侦察、援潜、救生等。而在近几十年，水下机器人的发展是非常迅速的。在信息技术的支持下，其发展趋势向着以下几个方面发展：一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，实

? 117 ? ELECTRONICS WORLD? 技术交流本文主要结合相关的研究背景设计了一种水下清洁机器人，作为一种水下设备的清洁维护的机器人，保障水下设备的正常运行。文章首先在引言部分对本文的研究背景及意义进行阐述，然后重点提出了水下清洁机器人运动控制系统的总体设计方案，并对其运动模型进行设计和仿真。 1 引言海洋开发逐渐向特殊领域以及高深度领域转变，难度越来越大，人力开发已经完全不能够满足开发的需求，机器人开发已经成为了新趋势。本文主要在此背景下分析和研究水下清洁机器人的运动控制系统的设计。本文设计的水下清洁机器人主要是用于对水下的一些大型设备，例如海底搜救设备、勘测设备、取样设备等进行水下维护和修复等，能够在水下特殊环境中对海底设备进行维护和处理，能够较大程度上的促进海底开发技术的发展。 2 水下清洁机器人运动控制系统总体设计 2.1 水下清洁机器人运动控制流程本文设计的水下清洁机器人的控制系统主要由主机、控制算法、控制电路、指令转换、机器人载体、采样设备等组成，具体的控制流程为：主机控制算法进行水下机器人的动力分配，并结合指令转换算法进行整理转换，结合控制电路开启操控箱，下达操作指令，机器人载体接到命令驱动机器人进行采样，采集样本之后将样本信息传递到主机处理系统当中，进行处理。 2.2 模拟运动控制平台结构设计水下机器人的运动控制平台主要包括六个部分：步进电机、云台、安装板、推进器、U型板以及轴承等。其中云台主要实现的是2自由度的运动，包括水平和横向两个方向。本文模拟的控制平台主要实现的是3自由度的运动控制，除了上述2自由度之外，还包括前后摇摆自由度。由于多了一个自由度，因此需要对运动进行定位，该运动平台的定位主要由带套轴承和法兰轴组成固定左侧，由带套轴承和电机轴固定右侧，右侧的电机由法兰固定，由此就设计出了一个6自由度的模拟运动控制平台（边宇枢，高志慧，贠超，6自由度水下机器人动力学分析与运动控制：机械工程学报，2007）。 2.3 地面操控台结构设计地面操控台主要是对上述的模拟运动控制平台进行控制，地面操控台主要包括显示器、操纵杆、按钮以及指示灯等。其中操纵杆有2个，一个用来控制云台的摄像机，一个用来控制模拟运动平台，面板主要是结合人体舒适度进行设计，角度定为70°（裴文良，郭映言，陈金山，申龙，水下机器人的研发及其应用：制造业自动化，2018）。 3 水下机器人运动模型及仿真分析该部分主要对上述设计的水下机器人的运动模型以及仿真进行分析： 3.1 水下机器人的运动学建模为了便于我们对机器人参数和变量的统一管理，可以定义以下状态变量：其中，，即用η1和η2分别表示稳定系下水下机器人的位置向量和方向向量，用v1和v2分别表示动态系下水下机器人的线速度和角度，用τ1和τ2表示在动态系下作用于水下机器人的力和力矩向量。水下机器人的速度变量由稳定系转换成为动态系，从而通过动态控制器实现对运动的控制，同时要获得水下机器人的静态位置和姿态就必须要将水下机器人的速度变量由动态系转换成为稳定系，从而得到水下机器人的位置矢量。由此可知，在研究水下机器人状态时，需要分析和研究机器人速度变量的动态和静态的转变。 3.2 基于神经网络的轨迹控制器本文主要设计了基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，具体的控制流程如下：当机体接收到信号后，传递到控制器，再通过执行器作用于机体，做出相应的动作，机器人本身还具有抗干扰的功能。输出与控制器之间用RBF网络连接。（朱大奇，陈亮，刘乾，一种水下机器人传感器故障诊断与容错控制方法：控制与决策，2009） 3.3 水下机器人神经网络轨迹控制的仿真结合上述设计的基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，采用MATLAB进行仿真如下。该控制器设计的目的是实现对水下机器人运动状态的识别和跟踪，通过分析水下机器人的水下运动情况，结合轨迹参考实现了未知动力学的局部精确逼近和部分神经网络权值的收敛，从而奠定一定的学习控制器基础。结合神经网络的训练实验得到，在神经网络权值的训练过程中，一些神经网络的权值最终收敛，可以作为神经网络的常数权值存储。在自适应神经网络控制器的作用下，将被控系统未知动态分量的局部精确逼近。水下清洁机器人运动控制系统设计研究（下转第121页）

基于开源软件Ardusub的水下机器人ROV控制系统摘要：随着海洋资源开发以及水下领域作业任务的增加，水下机器人在水下作业中发挥着越来越重要的作用。ROV作为水下作业的重要工具，对运动控制算法要求较高，采用开源软件ArduSub，结合一种模糊串级PID控制算法实现ROV控制系统的设计，重点对ArduSub的特点、适应配置及PID控制算法原理，包含运动和姿态方面进行了阐述，能够良好实现ROV的水下控制。 1引言随着海洋资源开发以及水下领域作业任务的增加，水下机器人在水下作业中发挥着越来越重要的作用。其中ROV续航持久，成本相对较低，逐渐成为水下作业的重要工具。ROV工作于水下环境，具有非线性、易受环境影响等特点，对运动控制算法要求较高，同时要求整个控制系统要有较好的实时性和可靠性。 2开源软件ArduSub简介 ArduSub水下机器人的控制器是一个完整的开源解决方案，提供远程操作控制(通过智能潜水模式)和全自动的执行任务。作为DroneCode软件平台的一部分，它能够无缝地使用地面控制站的软件，可以监控车辆遥测和执行强大的任务规划活动。它还受益于DroneCode平台的其他部分，包括模拟器，日志分析工具，为车辆管理和控制和更高层次的api。其主要特点在于以下几个方面：反馈控制和稳定性：ArduSub控制器基于多旋翼自动驾驶系统，具有精确的反馈控制，可主动维持方向。深度保持：使用基于压力的深度传感器，ArduSub控制器可以将深度保持在几厘米内。航向保持：默认情况下，ArduSub在未命令转动时自动保持其航向。相机倾斜：通过操纵杆或游戏手柄控制器与伺服或万向节电机进行相机倾斜控制。灯光控制：通过操纵杆或游戏手柄控制器控制海底照明。无需编程：ArduSub控制器适用于各种ROV配置，无需任何自定义编程。大多数参数可以通过地面控制站轻松更改。兼容性好：ArduSub兼容许多不同的ROV框架，支持PWM输出。由于以上特征，使得ArduSub成为一款可以很好适用于水下机器人RPV控制系统的开源软件。 ArduSub兼容基于串行和以太网的通信接口。使用的硬件自动驾驶仪必须支持选择的选项。Pixhawk仅支持串行连接，但可以通过配套计算机连接到以太网。其他autopilots原生支持以太网。ArduSub软件主要用于通过ArduSub进行接口，ArduSub是一种开源的跨平台用户界面，适用于所有类型的无人机。该接口通过系绳连接到ArduSub控制器并显示车辆状态信息，并允许更新参数和设置。最重要的是，QGC与用于指挥车辆的操纵杆或游戏手柄控制器连接。 ArduSub包含一个高级的电机库，支持多个框架，例如具有6自由度推进器定位的BlueROV配置（图1所示）、带有并排垂直推进器的矢量ROV（图2所示）、采用单垂直推进器的ROV（图3所示）等等。在传感器和执行器方面，除了标准的板载传感器（IMU，指南针），ArduSub

水下机器人智能控制技术机械工程学院张杰189020008 智能水下机器人作为一个复杂的系统集成了人工智能水下目标的探测和识别、数据融蛤智能控制以及导航和通信各子系统是一个可以在复杂海洋环境中执行各种军用和民用任务的智能化无人平台。目前主要采用的智能控制方法有：模糊控制、神经网络控制、专家控制、自适应控制、PID调节器、滑模控制等。本文比较全面地查阅了水下机器人运动控制理论相关的文献，阐述了几种主要控制方法的基本原理，给出了控制器结构的设计方法，对水下机器人运行控制方法的选取、控制器的设计具有较好的参考意义。水下机器人的运动控制是其完成特定任务的前提和保障，是水下机器人关键技术之一。随着水下机器人应用范围的扩大，对其自主性，运动控制的精度和稳定性的要求都随之增加，如何提高其运动控制性能就成了研究的一个重要课题。导致AUV难于控制的主要因素包括：①水下机器人高度的非线性和时变的水动力学性能；②负载的变化引起重心和浮心的改变；③附加质量较大，运动惯性较大，不能产生急剧的运动变化；④难于获得精确的水动力系数；⑤海流的干扰。这些因素使得AUV的动力学模型难以准确，而且具有强耦合和非线性的特点。目前已被采用的控制方法有：模糊控制、神经网络控制、专家控制、PID控制、自适应控制、S面控制等。智能控制是一个由人工智能自动控制和运筹学的交叉构成的交叉学科近年来,智能控制技术成为水下机器人发展的一个重要技术水下机器人难于控制的原因有几个方面,水下机器人在运行中收到海流等外界极不稳定环境因素的干扰,使其控制变得更加困难;水下机器人各项参数的高度的非线性的特点;水下机器人的水动力性能在不同的海洋环境下会改变较明显;海底水下机器人水动力系数难以测量,不能获得一个较为准确的数据;水下机器人体积大质量大,因此所受惯性大,运动变化难以在较短的时间内实现;水下机器人在运动过程中重心和浮心易改变会引起控制较为困难等智能控制如果能用在水下机器人,可以更好的使其适应复杂的海洋环境。智能控制系统的类型

水下机器人发展概述 1水下机器人发展背景在浩瀚的宇宙中，有一个蔚蓝色的星球，那是人类赖以生存的地方——地球。地球的表面积为5.1亿平方公里，而海洋的面积为3.6亿平方公里。地球表面积的71%被海洋所覆盖。在烟波浩渺的海洋深处，蕴藏着什么样的宝藏？是否存在着智慧生命？海底生物是怎样生活的？海底的地形地貌又是什么样的？所有这一切都使海洋充满了神秘的色彩，也吸引了无数科学家、探险家为之探索。从远古时代起，人们就泛舟于海上。从19世纪起，人们开始利用各种手段对海洋进行探察。20世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋的最重要的手段，受到了人们普遍的关注。进入21世纪，海洋作为人类尚未开发的处女地，已成为国际上战略竞争的焦点，因而也成为高技术研究的重要领域。毫不夸张地说，本世纪是人类进军海洋的世纪。人类关注海洋，是因为陆上的资源有限，海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。另一个重要原因是，占地球表面积49％的海洋是国际海底区域，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。但是如果哪一个国家有技术实力，就可以独享这部分资源。因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。水下机器人作为一种高技术手段，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是显而易见的。２水下机器人的定义与分类２．１水下机器人的定义与概述水下机器人也称作无人水下潜水器（ｕｎｍａｎｎｅｄｕｎｄeｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＵＵＶ），它并不是一个人们通常想象的具有类人形状的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。在外形上更像一艘微小型潜艇，水下机器人的自身形态是依据水下工作要求来设计的。生活在陆地上的人类经过自然进化，诸多的自身形态特点是为了满足陆地运动、感知和作业要求，所以大多数陆地机器人在外观上都有类人化趋势，这是符合仿生学原理的。水下环境是属于鱼类的“天下”，人类身体的形态特点与鱼类相比则完全处于劣势，所以水下运载体的仿生大多体现在对鱼类的仿生上。目前水下机器人大部分是框架式和类似于潜艇的回转细长体，随着仿生技术的不断发展，仿鱼类形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。水下机器人工作在充满未知和挑战的海洋环境中，风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境对水下机器人的运动和控制干扰严重，使得水下机器人的通信和导航定位十分困难，这是与陆地机器人最大的不同，也是目前阻碍水下机器人发展的主要因素。２．２水下机器人的分类水下潜水器根据是否载人分为载人潜水器和无人潜水器两类。载人潜水器由人工输入信号操控各种机动与动作，由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境，其优点是由人工亲自做出各种核心决策，便于处理各种复杂问题，但是人生命安全的危险性增大。由于载人需要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系统，这将为潜水器带来体积庞大、系统复杂、造

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作者：PanHongliang 仅供个人学习中国海洋大学工程学院机械电子工程研究生课程考核论文题目： AUV水下机器人运动控制系统研究报告

课程名称：运动控制技术姓名：李思乐学号： 21100933077 院系：工程学院机电工程系专业：机械电子工程时间：2010-12-26 课程成绩：任课老师：谭俊哲

创业计划书项目名称：高精度水下智能作业教学机器人创业者：创业时间：

高精度水下智能作业教学机器人 1、概要水下机器人从20世纪后半叶诞生，是工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称无人遥控潜水器，主要运用在海上救援。由于水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人日益成为开发海洋的重要工具。在军事斗争中，无人化作战平台将在未来现代化战争中发挥重要的作用，无人舰艇将与无人地面战车、无人飞机一起在战场上进行高效卓越地作战。另外，无论战争期间还是和平时期，水下机器人还可以定期对航道、训练场、舰艇机动区实施定期或不定期检查，保障这些水域的作业安全。载人潜水器由人工输入信号操控各种动作，由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境。其优点是由人工亲自做出各种核心决策，便于处理各种复杂问题，但是人生命安全的危险性增大，由于载人需要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系统，这将为潜水器带来体积庞大、系统复杂、造价高昂、工作环境受限等不利因素。有缆水下机器人（ROV）需要由电缆从母船接受动力，并且ROV不是完全自主的，它需要人为的干预。主要由水面设备（包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器和潜水器本体）组成。潜水器本体在水下靠推进器运动，本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清洗器等）。潜水器的水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视，电缆向本体提供动力和交换信息，中继器可减少电缆对本体运动的干扰。由于人们通过电缆对ROV进行遥控操作，电缆对ROV像“脐带”对于胎儿一样至关重要，但是由于细长的电缆悬在海中成为ROV最脆弱的部分，大大限制了机器人的活动范围和工作效率。无缆水下机器人（AUV）又称自治水下机器人、智能水下机器人，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用于同一水下载体上，在没有人工实时控制的情况下，自主决策、控制完成复杂海洋环境中的预定任务使命的机器人。是从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命

●H300 ROV水下机器人（法国ECA Hytec公司） 1.系统规格水下运载器部分： ?性能：三轴运动，满载静水中前进速度3节； ?作业深度：300米； ?尺寸：80×60×47cm（长，宽，高）； ?重量：65Kg（空气中），不包含选件； ?制作材料：压缩聚丙烯框架，316L不锈钢支干； ?推进器：4个，两个做水平运动，一个做垂直运动，一个做横向运动； ?自动航向精度：±1%量程； ?自动水深精度：0.1%量程； ?搭载能力：15.5公斤；光学成像设备配置： ?低光导航TV 摄像机(黑白)–置于H300顶上端 ?静画TV 相机VSPN 303 ?3倍变焦； ?同步闪光； ?自动对焦； ?可控快门；美国DIDSON双频识别声纳； ?高频模式

?作业频率：1.8 MHz ?波束宽(双向)：0.5 度水平x 13 度垂直 ?波束：96 ?作用范围：1 - 15 米 ?低频模式 ?作业频率：1.1 MHz ?波束宽(双向)：0.3 度水平x 13 度垂直 ?波束：48 ?作用范围：1 – 40 米 ?双频模式 ?最大图像显示速度：5–21 幅/秒 ?视角：29 度 ?调焦：自1 米至最大作业距离 ?电池支持时间：2.5 小时 ?空气中重量：7.7 公斤 ?电池空气中重量：2 公斤 ?声纳尺寸：43(包括13 厘米手把) x 20 x 17 厘米 ?电池盒尺寸：18 x 13 厘米直径 ?作业深度：90 米 ?能耗：30W（24VDC@1.25A）液压机械臂： ?180 度旋转

?80巴压力之下的转矩8Nm ?80巴压力之下举重10 公斤 ?钳夹旋转180 度 ?可切割绳索 ?材料：高密度聚乙烯，不锈钢叉钳； ?尺寸：长55.3 厘米，高为9.7 厘米，宽23.2 厘米 ROV水下系链电缆： ?直径：19.5 毫米+/-1 毫米 ?密度：0.99 ?强度：800 daN ?动态弯曲半径：> 30 厘米 ?静态弯曲半径：>16 厘米 ROV水面控制器： ?设置相机各种参数，摄像状况，电控快门，亮度调节； ?启动，显示自动航向，自动水深（包括航迹指示、旋转次数指示）； ?控制数字静画相机拍摄； ?在硬盘上存储相片； ?启动图像旁注（短文，日期，时间，航向/深度）； ?系统自检状况（电源状况，自动量测传感器内部温度，湿度，进水报警）； ?控制灯光（开，关，亮度）；

探析自主水下机器人机械结构设计及实现机器人技术的发展在当前智能技术领域发展的助力下已经取得了迅速和重要的突破，并且已经渗透到了生产生活和科学研究的各个领域，为社会的发展注入了新的动力。水下机器人作为机器人领域的一项重要研究内容，在水下探测和资源勘探等方面发挥着重要的作用，本文通过对自主水下机器人各个方面机械结构的介绍，对其机械结构设计方面的技术进行分析。标签：水下机器人；机械结构；设计与实现一、水下机器人的发展与应用水下机器人技术是机器人领域与水下侦查和水文探测等水下作业方面技术的结合所形成的一门新兴学科，对水下探测、资源勘探、海上导航、与目标侦查等民用和军用相应范围内各类水下任务的执行都有着十分重要的意义。水下机器人是在当前较为成熟的机器人技术在特定的水下作业环境中发展而来的技术，其技术理论涉及了机械设计、水下动力、流体力学和智能控制等多方面的相关技术。水下机器人由于工作环境的特殊性，在相关的外形设计和结构布局等方面也与常规的机器人有所区别，具体来说，水下机器人在结构设计方面有着以下几点主要的要求：阻力小，更有利于水下機器人的水下运动；结构和材料强度能够应对一定水深下的压强变化；结构布局、性能指标和制造工艺等更加符合水下作业环境等。二、水下机器人的机械结构设计与实现（一）水下机器人的设计要求当前，水下机器人的机械结构设计可以分为框架型结构、流线型结构以及混合型结构。其中框架型的结构设计是指在实现水下机器人大的基本功能框架的基础上，按照具体的实际需求和工作环境进行相关机械部件的增添，使机器人的整体结构布局更加容易进行调整，但是存在着体型笨重，水下阻力较大等缺点影响了该类型水下机器人的实际使用性能；流线型的结构设计是利用了仿生学的原理技术，将水下机器人的外形设计成类似鱼类的形状例如鱼雷形状和枋梭形状，来减小其在水下工作过程中的运动阻力，在一定程度上减小了运行能耗并延长了水下的工作时间，满足了更多水下任务的工作需求；混合型的结构设计是将框架型结构设计和流线型结构设计相结合形成的机械结构设计方案，综合了以上两种结构设计的特点和优势，使水下机器人既具备了一定的结构部件可调性，又拥有了水下作业时良好的机动性能和续航能力。（二）整体设计方案与流程在对水下机器人的设计要求和主要的机械结构的形式进行了分析之后，综合

摘要：阐述了水下机器人的推进装置，介绍了水下机器人常见的推进装置类型和关键技术。关键词：水下机器人推进装置关键技术水下机器人按用途分类可分为作业用水下机器人和观测用水下机器人；按电源配置分类，可分为有缆水下机器人（ROV）和无缆水下机器人(AU V)；按运动方式分类，可分为浮游式水下机器人、履带式水下机器人和步行式水下机器人。近年来，随着越来越多的国家重视海洋，如何设计出多功能智能化的水下机器人以及高效率的水下推进装置成为研究重点。国外对水下机器人研制较早，技术也更加先进。自从1953年世界上第一台水下机器人“Poodle”研发出来后，世界各国也都开始了对水下机器人研究机构的创建。2010年美国科研人员研发出主要依靠海水热能驱动的新型水下机器；2019年挪威科技大学和kongsberg海事公司合作研究出一款仿生机器蛇，可以更方便的到达目的区域。我国开展对水下机器人研究较晚，我国首台水下机器人“海人一号”样机在1985年进行海试并取得成功，此后国内水下机器人研究层次不断上升新得高度。2018年10月，我国自主研制的“海星号”有缆水下机器人下潜深度突破6000米，创造了我国有缆水下机器人最大下潜深度；由中科院海洋所等机构研发的“发现号”水下机器人，已经执行数百个潜次任务，获取数千例岩石、生物等样品。 1.水下机器人的推进系统目前，水下机器人的推进装置主要有螺旋桨推进器、液压推进器、泵喷推进器、磁流体推进器、仿生推进器、履带推进器等。 2.螺旋桨推进器螺旋桨是指靠桨叶在水中旋转，将电机转动功率转化为推进力的装置。工作原理：由作用力与反作用力的原理可知，当电机带动螺旋桨转动时，产生对水的一个向后的力，那么水也会对螺旋桨一个反作用力，以此来驱动水下机器人。可以通过改变驱动电机的转速参数以及螺旋桨的转向来控制水下机器人的航速和航向。目前大多数水下机器人采用多螺旋桨协同推进方式，即通过对螺旋桨分布的位置进行设计，然后通过系统控制每一个螺旋桨的旋转，继而达到控制机器人的姿态和驱动。这种推进方式的优点是：螺旋桨在一定速度下连续转动可以产生高效的推进力。缺点是：在机器人较高速度航行时，能量损失比较大。目前常见的螺旋桨形式有：可调螺距螺旋桨、导管型螺旋桨、串列型螺旋桨、对转螺旋桨。我国研制的“蛟龙号” 载人下潜机器人采用的是多导管螺旋桨协同推进。 3.液压推进器液压推进系统因为由液压液体流量来控制，所以增大了调速范围。液压推进器采用安装螺旋桨推进，通过增加推进器的个数来对机器人姿态和航向的改变。液压推进系统主要由液压动力单元、控制单元、执行单元、液压油和其他辅助元件组成，通过元件间的相互配合来驱动机器人。现阶段水下作业级机器人基本采用液压推进方式，这种推进方式的特点：液压系统体积小、传动稳定、通用性强、安全性高、良好的调速性等。为了设计和调试液压系统，采用计算机仿真，目前主要的液压仿真软件有：A MESim、Matlab等，其中A ME Sim应用范围最广。2014 年4月，我国国内首套应用于4500米级水下机器人“海马号”的液压推进系统在南海通过了海试验收。 4.喷水推进器喷水推进器又称泵喷推进器，一般将进水口、水泵和喷口等部件的综合称为喷水推进器。原理是：水通过进水口进入，由电机带动水泵将水加速后经出水道，由喷口向后喷出，利用反作用力推动机器人前进。采用喷水推进器的优点：效率高、速度快、 84/ 珠江水运·2019·07

杭州电子科技大学毕业设计（论文）开题报告题目水下机器人深度调节装置设计学院卓越学院专业自动化姓名周硕班级13184111 学号13062220 指导教师蒋鹏

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义简介机器人技术是集运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬件与软件技术、控制理论、电动伺服随动技术、传感器技术、人工智能理论等科学技术为一体的综合技术。它的研究与开发标志着一个国家科学技术的发展水平，而其在各种机械领域的普及应用，则显示了这个国家的经济和科技发展的实力。世界上许多国家为了推进本国的机器人开发事业，打入竞争日益激烈的国际高科技市场，不惜投入巨大的人力、财力来推动机器人技术的发展,开发出了许多类型的机器人。机器人的应用领域也逐渐从人工环境扩展到了水下和宇宙。随着人口数量的增长和科学技术水平的不断提高，人类已把海洋作为生存和发展的新领域，海洋的开发与利用已经成为决定一个国家兴衰的基本因素之一。从而使水下机器人具有更加广阔的应用前景。国内外研究动态水下机器人在20世纪50年代初诞生时，由于所涉及的新技术还不够成熟，电子设备的故障率高，通信的匹配以及起吊回收等问题没有很好解决，因此发展不快，没有受到人们的重视。到了60年代，国际上开始两大开发技术，即宇宙和海洋开发，促使远距离操纵型机器人得到了很快的发展，到了80年代，由于海洋开发与军事上的需要，尤其是水下机器人本体所需的各种材料及技术已得到了较好的解决，水下机器人才得到了很大发展，开发出了一批能工作在各种不同深度，进行多种作业的机器人，可用于石油开采、海底矿藏调查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和检查、海上养殖、江河水库的大坝检查及军事等领域。国内现状我国从70年代开始较大规模地开展潜水器研制工作，20多年来，先后研制成功以援潜救生为主的7103艇(有缆有人)、I型救生钟(有缆有人)、QSZ单人常压潜水器(有缆有人)、8A4水下机器人 ROV(有缆无人)和军民两用的 HR— 01ROV，RECONIVROV 及CR-01A6000m水下机器人AUV(无人无缆)等，使我国潜水器研制达到了国际先进水平。但是我国水下机器人的发展仍存在一定的问题。（1）产业化仍有不足目前国际上遥控水下机器人技术及制造产业已经成熟，形成了所谓的“ROV工业”；自主水下机器人和水面机器人仍处于从实验室走向应用的过渡阶段，产品尚未完全成熟，除军用外，只有少数型号能作为商品出售，其应用范围还有待开拓。而在国内，无论是ROV还是AUV，均尚未形成产业。目前，国外拥有的水下机器人中的主要类型我们所里均有研制开发，其总体集成水平大体上达到或接近国际水平，但在应用层面上还明显不足。（2）核心材料无法自主制造

第40卷?第3期?2018-03? 【9】水下机器人的机械手臂设计与仿真 Simulation and design of manipulator of remote operated vehicle 张吉1，田军委1，王沁1，熊靖武1，史珂路2 ZHANG Ji 1, TIAN Jun-wei 1, WANG Qin 1, XIONG Jing-wu 1, SHI Ke-lu 2 （1.西安工业大学机电工程学院，西安 710021；2.西安工业大学电子信息工程学院，西安 710021）摘要：针对水下机器人(ROV)应用于水下工作的要求，设计了一款在水深300M以下工作的四关节机械手臂。为了保证机械手臂可靠性，在对ROV的机械手臂在水下进行实际测试之前，我们完成对机械手臂关节单元进行力学分析以及扭矩计算，并对机械手臂的驱动模块选型和详细的密封。同时，通过SoildWorks进行机械手臂的三维建模，并对机械手抓进行有限元分析仿真实验。实验结果表明本设计的机械结构强度满足工作要求。关键词：水下机器人；机械手臂；可靠性；SoildWorks建模中图分类号：TH122 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2018)03-0009-04 收稿日期：2017-09-06 基金项目：陕西省科技统筹创新工程（2015KTZDGY-02-01）；陕西省工业科技攻关项目（2016GY-175）作者简介：张吉（1991 -），男，山西朔州人，硕士研究生，研究方向为框架式水下机器人的设计与控制系统。 0 引言 ROV 广泛应用于水下救援、水下目标搜索、水下设备检查维护、水下考古、水下科研等领域。它可以代替人类在水下完成各种复杂的作业任务。而在此过程中ROV 必须配备机械臂才能完成水下作业任务[1]。水下机械臂必须满足以下要求：由于工作环境在水下，机械臂材料需要耐腐蚀性强、密封好、抗压性高；更具操作者的指令能够准确的定位完成水下作业；由于ROV 的本体很小，机械臂需要材质很轻。操作要灵活，操作范围不小于300mm ，抓取重量不低于1kg ，操作角度不低于60°。 1 整体结构设计说明与性能参数 1）机械臂的坐标形式与自由度的配置：考虑到ROV 在水下工作环境复杂，可能有杂物，礁石，动物和水草等物体，对机械臂的控制造成影响，并且需要机械臂具有非常好的壁障性，应对水下的复杂环境，完成抓取物体的任务[6,7]。因此选择关节坐标式机械臂，且采用双目视觉技术，就像人的眼睛控制双手抓取物体。机械臂自由度的个数是由其用途决定的；本文设计的机械手臂工作环境为水下，考虑到水下机械臂的设计要求和操作范围，将采用转动关节式结构，且将机械臂设定为四个自由度。机械臂自由度布置如图1所示。机械臂整体形态仿照人手臂设计，为方便实现手抓姿态调整，实现对目标的抓取动作，将机械臂自由度设定为关节1为水平面的旋转运动、关节2为竖直平面的小幅度转动，关节3为竖直平面的转动，关节四为竖直平面的摆动。四个自由度可以使机械臂能够更加容易抓取到水下的物体。图1 机械臂自由度设置 2）安装方式的确定：装于潜水器上的机械臂在水下进行作业时，应具备两方面的能力：为完成作业任务，提供必要的操作；保持潜水器有稳定的方位，因为机械手作业受到的反作用力会影响ROV 方位的稳定；故两只机械臂别设置在艇首头部的左、右两侧[5,8]。可以保证潜水器的平衡。 3）材料选型与性能参数：由于潜水器的本体非常小，所以要求安装的机械手臂必须满足轻型化、耐高压等要求。在负载允许的情况下采用密度小耐腐蚀的铝作为机械手臂的材料。经过运动分析发现双机械臂的运动最远可以达到如下位置，此时机械臂的关节2的运动角度为30°，而双目视觉测距模仿人眼观察物体，故机械臂的末端必须在视线范围内，再加上机械臂的操作角度不低于60°，因此关节1的转动角度定位60°。其中机械臂极限位置如图2所示。舵机的转动角度有90°、120°、180°、360°，其余各个关节的转动角度可以根据舵机的角度选取。