陳 銘，冷 靜

(中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所 深海工程技術(shù)部，海南 三亞 572000)

國際上通常把深度大于1 000 m的海域稱為深海。從資源分布的角度來看，深海的礦產(chǎn)資源十分豐富，是人類可持續(xù)發(fā)展的資源寶藏。在陸地金屬資源日漸枯竭的今天，海底蘊(yùn)藏的大量資源具有重要意義。多金屬結(jié)核賦存于5 000～6 000 m的海底沉積物表面，富鈷結(jié)殼生長于水深2 000～4 000 m的海山上，熱液硫化物則蘊(yùn)藏在2 000～2 500 m水深的海床[1-3]。

從作業(yè)難度來看，深海的作業(yè)環(huán)境極為復(fù)雜，海水腐蝕，終年黑暗；海底的風(fēng)、浪、流組成了復(fù)雜的流場；深海大部分地區(qū)水溫僅為1～2℃，而熱液口卻達(dá)到了近400℃的高溫。這種超常復(fù)雜的極端環(huán)境對深海作業(yè)裝備的可靠性、維修更換周期提出很高的要求，不但需要耐腐蝕，耐高溫、低溫，并且還需要承受20～60 MPa的巨大水壓，除此之外，由于海水中電磁波傳播速度衰減嚴(yán)重，這也給深海作業(yè)設(shè)備的通訊和控制帶來巨大的挑戰(zhàn)[4-5]。

水下機(jī)器人(無人潛水器)和載人潛水器技術(shù)，是當(dāng)今探索深海、開發(fā)深海資源的有效技術(shù)。由于深海的復(fù)雜環(huán)境，導(dǎo)致現(xiàn)今市面上存在的深海大型爬行機(jī)器人的種類和數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于陸地上的大型爬行機(jī)器人。

1 深海大型爬行機(jī)器人分類及發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前國際上的大型深海爬行機(jī)器人主要用于海底礦物開采和深海挖溝埋纜。大型深海爬行機(jī)器人在技術(shù)上具有一定通用性，操作部件采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)工業(yè)實(shí)際任務(wù)進(jìn)行調(diào)整和更換；在運(yùn)動(dòng)過程中，均考慮了對海底底質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)，為了增加接地比壓，一般采用履帶式底盤；在實(shí)際操作上，一般為全手動(dòng)或者半手動(dòng)控制；在結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計(jì)上，考慮到了深海壓力、自身重力和浮力的影響；在作業(yè)時(shí)，一般采用多種定位方式進(jìn)行定位。機(jī)器人在海底一般與海面母船同時(shí)作業(yè)，由母船實(shí)時(shí)控制作業(yè)。由于海底環(huán)境復(fù)雜，加之海底電磁波衰減迅速，深海作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)控制對海底通訊提出了更高的要求。

與那些小型機(jī)器人相比，大型機(jī)器人一般能夠承受小型機(jī)器人所不能承受的復(fù)雜工況，也可以裝載更多的設(shè)備和工具，同時(shí)也可以進(jìn)行復(fù)雜重載作業(yè)和大功率作業(yè)，故作業(yè)中常見的深海作業(yè)機(jī)器人均為大型機(jī)器人。

由于海底采礦和挖溝埋纜等重載工作在作業(yè)時(shí)需要強(qiáng)大的支撐力、穩(wěn)定的作業(yè)平臺(tái)，ROV、HOV平臺(tái)不能適應(yīng)開展這些類型的作業(yè)，它們通常的作業(yè)模式是利用自身浮力懸停定位，使用機(jī)械手或者其他作業(yè)工具進(jìn)行定點(diǎn)取樣作業(yè)；由于沒有在海底地面爬行的功能，無法完成長時(shí)間的穩(wěn)定深海重載作業(yè)，故海底重載作業(yè)的機(jī)器人一般均為爬行機(jī)器人[6]。

深海大型爬行機(jī)器人一般還需要達(dá)到以下技術(shù)要求：①具備攜帶操作機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置、電子艙和浮力材料的能力;②可以承受最高60 MPa的高壓，機(jī)器人可以按規(guī)劃的路徑進(jìn)行行走，無故障作業(yè)時(shí)間為2 000 h以上;③與此同時(shí)，從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，機(jī)器人深海作業(yè)時(shí)不得對海底底質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。深海海底沉積物是一類具有特殊“稀軟”特性的極限底質(zhì)，具有低承載性和低剪切性，給深海行走技術(shù)帶來了很大的挑戰(zhàn)[4, 7-9]。

1.1 深海大型采礦爬行機(jī)器人

深海大型采礦爬行機(jī)器人為深海大型爬行機(jī)器人中的一種，目前深海蘊(yùn)藏儲(chǔ)量豐富的礦產(chǎn)資源主要有多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物三種，不同種類的礦產(chǎn)資源需要不同類型的采礦機(jī)器人，因?yàn)楹５踪Y源巨大的應(yīng)用前景，許多國家在早期便開始了深海大型采礦爬行機(jī)器人的研制。深海多金屬結(jié)核普遍認(rèn)為是最具潛力和開發(fā)可行性的資源，各國很早就開始多金屬結(jié)核采礦機(jī)器人的研發(fā)，后來在進(jìn)行其他采礦機(jī)器人的研發(fā)時(shí)，都借鑒了多金屬結(jié)核采礦機(jī)器人的研發(fā)成果和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

早期印度國家海洋技術(shù)中心(NIOT)便與德國錫根大學(xué)(IKS)合作，研制了一臺(tái)深海大型采礦爬行機(jī)器人(如圖1所示)，其尺寸參數(shù)見表1[3]。該機(jī)器人的前部裝有一個(gè)可以靈活擺動(dòng)的機(jī)械臂，機(jī)械臂前端配備有一個(gè)泥漿泵。在海底作業(yè)時(shí)，通過擺臂和泥漿泵收集海底的多金屬結(jié)核。

表1 印度采礦機(jī)器人的參數(shù)Tab. 1 Parameters of Indian mining robot

在20世紀(jì)70年代，德國便開始了深海采礦機(jī)器人的研制工作，歷經(jīng)幾十年，構(gòu)建了具有德國特色的深海采礦系統(tǒng)。德國錫根大學(xué)研制的海底履帶式采礦機(jī)器人(如圖2所示)，該機(jī)器人尺寸為3.1 m×3 m×2 m(長×寬×高)[3]。該大型采礦爬行機(jī)器人為液壓驅(qū)動(dòng)，配備漸開線履齒橡膠履帶，采用了特制的擺動(dòng)車架，支承輪也具有擺動(dòng)的能力。上述配置，使得該機(jī)器人具備很強(qiáng)的越障能力，能夠很好的適應(yīng)海底的復(fù)雜地形。由于漸開線履與沉積物接觸，就如齒輪與齒條嚙合，這種接觸方式對沉積層擾動(dòng)較小。該大型爬行機(jī)器人還配備了一臺(tái)測距聲吶、兩個(gè)測速編碼器、一臺(tái)深海攝像機(jī)、一臺(tái)多普勒測速儀、一個(gè)磁通門羅盤。通過這些傳感器，機(jī)器人可以很好地采集在海底運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。

圖1 德國與印度聯(lián)合研制的深海采礦爬行機(jī)器人Fig. 1 Deep sea mining crawler robot jointly developed by Germany and India

圖2 德國錫根大學(xué)研制的采礦爬行機(jī)器人Fig. 2 Mining crawling robot developed by University of Siegen, Germany

韓國先后開發(fā)了2代針對多金屬結(jié)核采集的深海大型爬行機(jī)器人，命名為“MineRo”(如圖3所示)，并進(jìn)行了1 370 m水深的海試，該一代機(jī)具體參數(shù)如表2[10-13]。

表2 韓國“MineRo Ι”采礦機(jī)器人的參數(shù)Tab. 2 Parameters of South Korea “MineRo Ι” Mining Robot

圖3 韓國履帶自行式采礦機(jī)器人“MineRo Ι”Fig. 3 Tracked self-propelled mining robot "MineRo Ι"

我國長沙礦山研究院在“八五”期間，研究出了一臺(tái)履帶自行復(fù)合式集礦爬行機(jī)器人模型樣機(jī)(如圖4所示)，用于采集海底多金屬結(jié)核，該模型樣機(jī)由復(fù)合式集礦頭、水泵管路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、高齒封閉橡膠履帶車、集礦頭支撐連接裝置、電控測試系統(tǒng)等組成。該機(jī)器人尺寸為4.6 m×3.0 m×2.1 m(長×寬×高)，在空氣中質(zhì)量為8 t，在水中質(zhì)量為4 t，最大牽引力為28 kN，其主要技術(shù)指標(biāo)見表3[2-3, 14-16]。

表3 中國第一代深海大型爬行采礦機(jī)器人的參數(shù)Tab. 3 Parameters of Chinese first deep-sea large-scale crawling mining robot

圖4 我國第一代履帶自行式深海大型爬行采礦機(jī)器人Fig. 4 Chinese first-generation crawler self-propelled deep-sea large-scale crawling mining robot

我國采礦爬行機(jī)器人的具體技術(shù)細(xì)節(jié)：1)水力—機(jī)械復(fù)合式集礦頭可以大大減少集礦的含泥率，且這種集礦頭對海底底質(zhì)的破壞小。集礦頭離地高度的變化也不會(huì)影響到集礦效率，并且在導(dǎo)流板和射流參數(shù)結(jié)構(gòu)方面有一定的創(chuàng)新。除此之外，該集礦頭為自主設(shè)計(jì)的五連桿結(jié)構(gòu)，可以使其平行升降0.55 m，前后擺角±12°，可以達(dá)到機(jī)器人的越障要求，并且該集礦頭還可以自適應(yīng)海底微地形的變化，也可以手動(dòng)調(diào)節(jié)離地高度，實(shí)現(xiàn)自主集礦，高效集礦。2)機(jī)器人采用的履帶為近似漸開線高齒環(huán)形橡膠履帶，懸架為雙浮動(dòng)平衡懸架，還采用了擺動(dòng)梁車架、雙泵全恒功率供油、液壓馬達(dá)分離駛動(dòng)、電液比例閥控制。故該機(jī)器人承載性能很高，牽引力大，轉(zhuǎn)彎性能好，可以很靈活的避開海底障礙物，特制的履帶也使得機(jī)器人可以很好地適合海底的軟海底。研制的履帶齒形與國外相比具有很大的創(chuàng)新，將離開海底的刮泥量減少了一半，且對海底的擾動(dòng)很小。

在“九五”期間，我國自主設(shè)計(jì)，并與法國Cebynetic公司合作，研制了第二代深海大型爬行采礦機(jī)器人(如圖5所示)。與第一代相比，該機(jī)器人的主要改進(jìn)為：采用特殊尖三角齒特種合金履帶板，齒高130 mm，機(jī)器人在深海稀軟底環(huán)境下的可靠性和行駛性得到了大幅度的提升；改用全水力集礦方式，增強(qiáng)集礦效率；增加了控制密水箱和相關(guān)傳感器，可操作性得到了提升[2-3, 14-15]。第二代機(jī)器人尺寸為9.2 m×5.2 m×3.2 m(長×寬×高)，水下質(zhì)量15 t，空氣中質(zhì)量30 t，整機(jī)功率385 kW，采集行駛速度0～1 m/s，額定生產(chǎn)能力30 t/h，采集率超過80%，脫泥率超過85%。

圖5 我國第二代履帶自行式深海大型爬行采礦機(jī)器人Fig. 5 Chinese second-generation crawler self-propelled deep-sea large-scale crawling mining robot

除此之外，針對海底的多金屬硫化物，Nautilus公司與英國SMD 公司合作研發(fā)了一套商業(yè)開采的海底采礦作業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3臺(tái)獨(dú)立的深海采礦爬行機(jī)器人組成，如圖6所示，分別為輔助采礦機(jī)器人(Auxiliary Cutter)、大規(guī)模采礦機(jī)器人(Bulk Cutter)和集礦機(jī)器人(Collecting Machine)。這三款機(jī)器人均采用履帶式行走方式。其中，輔助采礦機(jī)器人主要用于在崎嶇的海底平整礦區(qū)，為大規(guī)模采礦機(jī)器人的行走采礦作業(yè)做準(zhǔn)備，兩個(gè)橫向相對轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒式切削頭組成了它的切割系統(tǒng)；大規(guī)模采礦機(jī)器人的作用是在已平整出來的工作面上進(jìn)行開采作業(yè)，其切割系統(tǒng)為一個(gè)具有上挖與下挖兩種模式的單筒式切削頭；集礦機(jī)器人則用于收集已被大規(guī)模采礦機(jī)器人切割破碎的礦石漿，并輸送給提升系統(tǒng)[17-19]。

圖6 Nautilus公司與英國SMD公司合作研發(fā)的海底采礦作業(yè)系統(tǒng)Fig. 6 Nautilus company and British SMD company corporately developed the seabed mining operation system

針對海底的富鈷結(jié)殼，我國中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所也自主研制了一臺(tái)4 500米級的深海大型爬行機(jī)器人(如圖7所示)，該機(jī)器人基于深海富鈷結(jié)殼物理特性及其開采環(huán)境設(shè)計(jì)，著重解決了薄礦層采掘與集礦一體化技術(shù)和遠(yuǎn)程作業(yè)的控制技術(shù)。

圖7 中國科學(xué)院深海所研制的深海大型爬行機(jī)器人Fig. 7 Large-scale deep-sea crawling robot developed by Deep Sea Institute of Chinese Academy of Sciences

該爬行采礦機(jī)器人由行走底盤、電氣與控制系統(tǒng)、液壓與補(bǔ)償系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、觀通系統(tǒng)、破碎收集系統(tǒng)等組成，具備富鈷結(jié)殼礦石破碎、水力式收集、布放回收、自動(dòng)定向、遠(yuǎn)程遙控海底行走、多參數(shù)監(jiān)測與報(bào)警功能。該深海大型爬行機(jī)器人尺寸為4.3 m×2.3 m×1.6 m(長×寬×高)，空氣中質(zhì)量4.1 t，海水中質(zhì)量3.0 t，裝機(jī)容量80 kW，2019年4月在南海完成了2 490 m水深的試驗(yàn)，獲取了富鈷結(jié)殼礦石樣品，驗(yàn)證了機(jī)器人的各項(xiàng)作業(yè)功能。

1.2 深海大型挖溝爬行機(jī)器人

深海大型爬行機(jī)器人除了在深海采礦領(lǐng)域大量應(yīng)用以外，還被廣泛應(yīng)用于深海挖溝、埋纜，這些挖溝爬行機(jī)器人大部分由基體、動(dòng)力系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、挖泥系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)等組成。根據(jù)挖泥系統(tǒng)的不同，還可將這些挖溝機(jī)器人分為兩類，噴射式挖溝爬行機(jī)器人和機(jī)械式挖溝爬行機(jī)器人(如圖8所示)。由于爬行支撐結(jié)構(gòu)為履帶，故這些大型爬行機(jī)器人可在砂土、軟土、巖石等多種土質(zhì)上行走作業(yè)[7]。

圖8 三種型號深海大型爬行挖溝機(jī)器人Fig. 8 Three kinds of large-scale deep-sea crawling and trenching robots

噴射式挖溝爬行機(jī)器人主要由基體、噴射系統(tǒng)、疏浚系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。噴射系統(tǒng)的高壓水流用于液化、分解或者切割海底底質(zhì)；疏浚系統(tǒng)則用于吸排挖掘出來的底質(zhì)，然后生成埋管線的溝道；監(jiān)控系統(tǒng)提供照明、攝像、聲納掃描等功能；基體則搭載著履帶底盤行走或跨管。這種噴射式挖溝爬行機(jī)器人可以通過ROV推進(jìn)系統(tǒng)在挖溝過程中自航行，還可以根據(jù)履帶的支撐來實(shí)現(xiàn)底部行走。

噴射式挖溝爬行機(jī)器人與機(jī)械式相比，其主要特點(diǎn)為：在砂土、泥土等非黏性土質(zhì)及低黏度的黏性土質(zhì)上，行走適應(yīng)性好；由于是噴射式挖溝，挖溝速度慢，但其作業(yè)深度很深，可達(dá)3 000 m；因這類機(jī)器人為自航式機(jī)器人，對母船依賴小，不用母船提供牽引力，作業(yè)時(shí)還可直接跨騎在管線上，就位著床對管線損害風(fēng)險(xiǎn)小，操作簡單，造價(jià)低，且同時(shí)適應(yīng)管線、電纜(動(dòng)力、臍帶、通訊)的挖溝作業(yè)。由于其作業(yè)效率低，無法挖掘硬質(zhì)海底地質(zhì)，故未來能夠挖掘硬質(zhì)底質(zhì)的大功率深海挖溝機(jī)器人將會(huì)是研究的重點(diǎn)。

表4中為全球主要噴射式挖溝爬行機(jī)器人的參數(shù)，噴射式挖溝機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，基本上ROV公司都能研制出噴射式挖溝爬行機(jī)器人。SMD、FET、Sonsub等國際知名ROV制造商，不但主要供應(yīng)工業(yè)用的噴射式挖溝爬行機(jī)器人，而且他們的機(jī)器人已成系列化發(fā)展[20-27]。由表4可知，這些深海大型爬行機(jī)器人的活動(dòng)范圍均在1 000～3 000 m以內(nèi)，質(zhì)量在10 t以上，由于配備了浮力材料和推動(dòng)裝置，它們可以很靈活地在多地形多種土質(zhì)的工況下執(zhí)行任務(wù)。其中，1 500 m級的QT2800為SMD公司生產(chǎn)的QT系列中的杰出代表(如圖9所示)，具有噴射式挖溝爬行機(jī)器人的一些卓越性能。QT2800尺寸為7.8 m×7.8 m×5.6 m(長×寬×高)，通過臍帶纜進(jìn)行能源輸送和控制，具有10臺(tái)Curvetech HTE750推進(jìn)器，其中向前推進(jìn)器4臺(tái)，向后推進(jìn)器2臺(tái)，垂直推進(jìn)器4臺(tái)，這些推進(jìn)器讓QT2800在深海具有垂直方向2節(jié)，前后方向3節(jié)，橫向2節(jié)的移動(dòng)速度。QT2800還配備有微型球體的復(fù)合泡沫塑料以提供浮力，能夠輔助推進(jìn)器達(dá)到靈活移動(dòng)的目的。此外，QT2800以其總功率達(dá)到2 MW，成為世界上最強(qiáng)大的自由游泳深海機(jī)器人之一，其配備的1.5 MW可變高壓噴射功率，為海底操作提供了強(qiáng)大支持，強(qiáng)大的動(dòng)力使其能夠在海況為6的環(huán)境下自由行動(dòng)。QT2800還可配備鏈?zhǔn)角懈顧C(jī)和鉆孔系統(tǒng)，可根據(jù)任務(wù)搭載不同的裝備，底盤的履帶驅(qū)動(dòng)裝置可拆卸。

表4 全球知名噴射式深海大型爬行挖溝機(jī)器人Tab. 4 World-renowned jet deep-sea crawling and trenching robots

圖9 QT2800型深海大型爬行挖溝機(jī)器人Fig. 9 QT2800 deep-sea crawling and trenching robot

大型爬行機(jī)器人中，除噴射式挖溝爬行機(jī)器人之外，還有一類為機(jī)械式挖溝爬行機(jī)器人。

20世紀(jì)70年代，機(jī)械式挖溝爬行機(jī)器人便開始發(fā)展，在21世紀(jì)初期得到快速發(fā)展。機(jī)器人主要由主支架、鉸刀系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)、履帶、動(dòng)力系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。機(jī)器人主要用于切割海底強(qiáng)度較強(qiáng)的海底底質(zhì)(如巖石)，通過機(jī)械切割設(shè)備(如鏈鋸、柱狀切割片等)切碎甚至液化海底的硬質(zhì)底質(zhì)，然后噴射系統(tǒng)將切割形成的底質(zhì)吸排出去，形成埋纜所需的溝道。機(jī)械式挖溝機(jī)器人結(jié)合了機(jī)械切割與噴射切割或疏浚，可以在海底任何底質(zhì)上進(jìn)行工作，彌補(bǔ)了噴射式挖溝機(jī)器人不能切割硬質(zhì)土壤的不足。

由于機(jī)械設(shè)備存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、控制系統(tǒng)復(fù)雜、機(jī)械切割設(shè)備損耗需更換等問題，其作業(yè)水深受到了很大的限制，目前所知的作業(yè)水深不超過1 500 m，故機(jī)械式挖溝爬行機(jī)器人還需要向效率高、運(yùn)維成本低、故障率低及深海系列化方向發(fā)展。表5是目前主要深海機(jī)械式挖溝爬行機(jī)器人詳細(xì)參數(shù)[21-27]，其中三種型號的機(jī)器人見圖10。

表5 全球知名機(jī)械式深海大型挖溝爬行機(jī)器人Tab. 5 World-renowned mechanical deep-sea large-scale trenching and crawling robots

圖10 三種型號深海大型爬行機(jī)械式挖溝機(jī)器人Fig. 10 Three kinds of large-scale deep-sea crawling mechanical trenching robots

由表5可見，機(jī)械式的大型爬行挖溝機(jī)器人的功率普遍與噴射式相當(dāng)，且部分機(jī)械式大型爬行挖溝機(jī)器人還可以通過配件的方式改裝成噴射式爬行挖溝機(jī)器人。

其中最有代表性的機(jī)械式挖溝機(jī)器人為SMD的BT2400，該機(jī)器人為一款緊湊型硬地面機(jī)械式電纜挖溝機(jī)器人，尺寸為21.7 m×9.4 m×7.1 m(長×寬×高)，裝機(jī)功率為1 800 kW，通過前挖后鋪的方式敷設(shè)電纜。BT2400可以選擇安裝三類工具盒：2.3 m中央安裝的鏈?zhǔn)角懈顧C(jī)，帶有后噴射壓力機(jī)，適用于高達(dá)80 MPa的硬地面條件；3.3 m中央安裝的鏈?zhǔn)角懈顧C(jī)，帶有后噴射壓力機(jī)，適用于高達(dá)40 MPa的地面條件；1.3 m輪式切割機(jī)，適用于50 MPa的地面條件。通過工具盒與一些配置配件的搭配，可以實(shí)現(xiàn)多種工況下的操作。BT2400還設(shè)定多臺(tái)相機(jī)、深海燈與聲吶，可以讓操作者實(shí)時(shí)了解水下工作情況(如圖11所示)。

圖11 BT2400型深海大型爬行機(jī)械式挖溝機(jī)器人Fig. 11 BT2400 deep-sea large crawling mechanical trenching robot

2 深海大型爬行機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

深海大型爬行機(jī)器人一般由三部分組成：1)平臺(tái)框架與動(dòng)力系統(tǒng)，包含本體框架、浮力材料、主推進(jìn)器、垂直推進(jìn)器、液壓系統(tǒng)、液壓閥箱、補(bǔ)償系統(tǒng)等；2)履帶行走系統(tǒng)，包括履帶、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸掛裝置、支重輪等；3)電氣控制與導(dǎo)航系統(tǒng)，包括控制電子艙、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、超短基線定位和水聲通信系統(tǒng)、頻閃燈、高度計(jì)、深度計(jì)、水下照明、水下相機(jī)及碰撞聲吶。

其中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)為海底復(fù)雜地形行走技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)。

2.1 海底復(fù)雜地形行走技術(shù)

由于實(shí)際工作中，工況復(fù)雜，機(jī)器人自身質(zhì)量很大，如果遇到海底底質(zhì)松軟時(shí)，需要借助浮力材料提供的浮力，減少機(jī)器人的接地比壓，有利于深海爬行機(jī)器人履帶的行走。安裝在機(jī)器人上的推進(jìn)器提供的輔助推力，進(jìn)一步提高行走效率。在履帶式行走方式為主流的情況下，還有很多公司和研究機(jī)構(gòu)對其他行走方式進(jìn)行了研究，并取得了不錯(cuò)的效果。

Nexans公司的Spider Dredger采用了帶有鉸接式行走腿系統(tǒng)的動(dòng)力輪/履帶，其頂部的疏浚單元相對于底部行走腿結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)(如圖12所示)。Spider質(zhì)量為12 t，但是其依然可以在非常崎嶇的海底工作，即使坡度達(dá)到35°也可以順利運(yùn)行。這一款大型深海爬行機(jī)器人可在1 000 m的深海中工作，可以通過專門的發(fā)射與回收系統(tǒng)或者是LARS系統(tǒng)進(jìn)行操控。一般情況下，Spider由臍帶纜來提供動(dòng)力和信號，母船則可以遠(yuǎn)程遙控Spider。在操作中，由于海底的擾動(dòng)，有可能Spider上的攝像頭無法清楚了解海底的情況，這時(shí)可以選擇系統(tǒng)中的虛擬三維圖像操作方式，海底的虛擬圖像由機(jī)載測量操作員準(zhǔn)備并加載到Spider的數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，從而進(jìn)行操作。操作開始后，根據(jù)需要進(jìn)行新的地形測量，去確認(rèn)海底剖面[28-29]。

另外，中南大學(xué)設(shè)計(jì)并研制了一臺(tái)鉸接履帶式采礦機(jī)器人模型樣機(jī)，該樣機(jī)由前履帶機(jī)器人、后履帶機(jī)器人和中間鉸接機(jī)構(gòu)組成，前、后履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)相同，單個(gè)機(jī)器人采用剛性車架、搖臂扭簧懸掛、移動(dòng)式張緊機(jī)構(gòu)、高齒履帶組成(如圖13所示)。單個(gè)機(jī)器人外形尺寸為1.91 m×1.40 m×0.6 m，前后角分別為60°和25°，支重輪中心高度為0.6 m，接地長為1.2 m，質(zhì)量為3.28 t。機(jī)器人采用人字齒型橡膠履帶，以降低對行走底質(zhì)的破壞，增加與地面的附著性能；設(shè)計(jì)的大角度接近角和離去角，可以有效提高越障性能；3自由度鉸接機(jī)構(gòu)可以使得前后機(jī)器人之間產(chǎn)生縱向俯仰、橫向側(cè)翻和水平轉(zhuǎn)向相對運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)復(fù)雜的地形變化[4, 30-32]。

圖12 Nexans公司的Spider DredgerFig. 12 Spider Dredger from Nexans

圖13 我國研制的鉸接履帶式鈷結(jié)殼采礦機(jī)器人模型樣機(jī)Fig. 13 Model prototype of an articulated crawler cobalt crust mining robot developed in China

北京礦冶研究總院針對深海的崎嶇地形進(jìn)行了避障研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)深海復(fù)合輪式采礦機(jī)器人，并進(jìn)行了水池試驗(yàn)(如圖14所示)。該復(fù)合輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)工況為6級海浪，該大型復(fù)合輪式爬行機(jī)器人由4套復(fù)合輪組構(gòu)成的機(jī)構(gòu)、鉸接式密封抗壓型整體罐式車架連接而成。每套的復(fù)合輪組均采用獨(dú)立的液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，被動(dòng)行駛時(shí)，相當(dāng)于12×12輪驅(qū)動(dòng)，有著較大的接地比壓，在軟硬地質(zhì)的海底上均可行駛。該大型復(fù)合輪系爬行機(jī)器人具有主動(dòng)和被動(dòng)兩種越障模式，在主動(dòng)模式下，可以越過大于輪胎半徑的垂直障礙和壕溝；在被動(dòng)模式上，可以爬30°的坡，并且具有自適應(yīng)普通海底地質(zhì)環(huán)境行駛的能力[33-36]。

圖14 我國研制的復(fù)合輪式機(jī)器人模型樣機(jī)Fig. 14 Prototype of composite wheeled robot model developed in China

2.2 導(dǎo)航定位技術(shù)

目前，深海機(jī)器人位置控制和導(dǎo)航采用的定位技術(shù)為視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、多普勒導(dǎo)航定位系統(tǒng)、聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中聲學(xué)定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用最多(如圖15所示)[37-38]。

圖15 定位技術(shù)分類情況Fig. 15 Classification of positioning technologies

圖16 偽長基線定位示意Fig. 16 Schematic diagram of pseudo-long baseline positioning

由于受數(shù)據(jù)延時(shí)和刷新頻率的影響，聲學(xué)定位一般精度比較低。慣性導(dǎo)航定位則是根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、位置和方向變化，實(shí)時(shí)推演出新的位置估計(jì)的一種導(dǎo)航定位方法。由于傳感器的誤差累積，慣性導(dǎo)航積累誤差隨時(shí)間逐步擴(kuò)大[39]。

其中，聲學(xué)定位里的基線定位主要存在長基線(LBL)、短基線(SBL)、超短基線(USBL)、偽長基線(PLBL)(如圖16所示)等幾種定位方式，這幾種方式定位精度不同，可用于不同的場景。目前常用的是采用超短基線定位和慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)相結(jié)合的方式，這種融合的方式有效地提升了定位精度和準(zhǔn)確度。

最近，也有學(xué)者提出將偽長基線與航位推算相結(jié)合的方式，利用磁羅盤、偽長基線定位系統(tǒng)得到測量值，再利用航位推算系統(tǒng)的相應(yīng)估算值，分別導(dǎo)出機(jī)器人的偏航角估計(jì)誤差和位置估計(jì)誤差，最后將其作為卡爾曼濾波器輸入(如圖17所示)。自適應(yīng)卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)了卡爾曼濾波器，進(jìn)而由濾波器得到位置數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)的最優(yōu)估計(jì)[39]。

圖17 深海大型爬行機(jī)器人擴(kuò)展卡曼濾波器結(jié)構(gòu)示意Fig. 17 Structure of extended Kaman filter for large deep-sea crawling robot

此外，一些深海大型爬行機(jī)器人還利用了基于視覺的三維場景重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)了海底的自主避障、自主導(dǎo)航[29]。

3 結(jié)論和展望

海底復(fù)雜的環(huán)境和豐富的資源，使得傳統(tǒng)作業(yè)機(jī)器人失效，而適應(yīng)海底復(fù)雜環(huán)境、具有自主導(dǎo)航、智能定位、抗惡劣海況能力強(qiáng)的深海大型爬行機(jī)器人的研制工作成為國內(nèi)外的研究重點(diǎn)。對當(dāng)前深海大型爬行機(jī)器人研究成果進(jìn)行綜述，重點(diǎn)介紹了一些典型深海大型爬行機(jī)器人的研發(fā)背景、特點(diǎn)和實(shí)際使用情況，并對其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)與問題進(jìn)行了討論與總結(jié)：

1) 現(xiàn)有的深海大型爬行機(jī)器人按照使用場景主要分為深海采礦車和深海挖溝機(jī)兩大類，這兩類機(jī)器人各有不同的特點(diǎn)。

2) 對爬行機(jī)器人海底行走技術(shù)進(jìn)行探討和分析，當(dāng)前大多數(shù)的深海大型爬行機(jī)器人均為履帶自行式，也有部分機(jī)器人通過使用推進(jìn)器輔助、使用鉸接式行走腿系統(tǒng)和復(fù)合輪系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對海底復(fù)雜路況的適應(yīng)，提升深海作業(yè)的靈活性。

3) 對于深海大型爬行機(jī)器人的定位與導(dǎo)航，是海底作業(yè)的關(guān)鍵，可以采用超短基線定位和慣性聯(lián)合進(jìn)行機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位，也可采用偽長基線與慣性導(dǎo)航定位聯(lián)合的技術(shù)進(jìn)行定位。與此同時(shí)，還可以利用基于視覺的三維場景重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)在低能見度的情況下作業(yè)。

目前國內(nèi)外的研究技術(shù)均不是特別成熟，甚至有些國家走了幾十年的彎路才走上正途，我國的深海采礦機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r亦是這樣?，F(xiàn)在存在的問題和難點(diǎn)主要在深海大型爬行機(jī)器人的水下導(dǎo)航、水下探測和機(jī)器人的智能化等方面，需要時(shí)間和精力來繼續(xù)探究和完善。影響深海大型爬行機(jī)器人工作性能的因素有智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)、海底位置環(huán)境定位技術(shù)、深海海底稀軟極限底質(zhì)可行駛技術(shù)、智能路徑規(guī)劃技術(shù)等幾個(gè)方面。

當(dāng)前的深海大型爬行機(jī)器人還處于“低智能生物”狀態(tài)，需要大量人工干預(yù)，對外界未知環(huán)境的智能感知能力差，對路徑軌跡的規(guī)劃還是基于局部環(huán)境的簡單規(guī)劃。由于深海環(huán)境復(fù)雜惡劣，深海大型爬行機(jī)器人未來增加人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能模塊，結(jié)合基于聲學(xué)傳感器的多傳感器綜合定位技術(shù)、深海未知環(huán)境的智能實(shí)時(shí)定位和建模技術(shù)之后，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自我控制，自我決策，針對深海復(fù)雜的環(huán)境可以做出實(shí)時(shí)自動(dòng)反饋操作。當(dāng)然，隨著深海智能通訊技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，可以使母船在海面上對深海海底的機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

由于深海地形復(fù)雜，底質(zhì)也多種多樣，隨著對行走技術(shù)的不斷研究，矢量推進(jìn)器和新式海底行走裝置的配合，將來也會(huì)發(fā)展出深海海底稀軟底質(zhì)極限底質(zhì)的新型行駛技術(shù)。結(jié)合深海智能定位技術(shù)和當(dāng)前的人工智能技術(shù)，可以很好的將陸地上的智能導(dǎo)航技術(shù)移植到深海海底導(dǎo)航作業(yè)之中，實(shí)現(xiàn)在深海海底復(fù)雜地形下的智能導(dǎo)航控制。這幾方面技術(shù)的進(jìn)步，也必將對深海機(jī)器人的發(fā)展帶來巨大的推動(dòng)作用。

當(dāng)前深海大型爬行機(jī)器人的作業(yè)方式，主要處于一艘母船攜帶一臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行試驗(yàn)作業(yè)的階段，若今后深海大型爬行機(jī)器人的技術(shù)趨于成熟，那么完全可以由一艘母船攜帶多臺(tái)機(jī)器人開展協(xié)同作業(yè)，這樣可以大大減少作業(yè)時(shí)間，增加作業(yè)效率，減少成本。故多智能體的深海大型爬行機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)技術(shù)將會(huì)是今后的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。