多关节水下机器人方案设计与关键技术应用

韩 涛，胡志强，崔庆佳，秦晓辉，徐 彪

（1. 湖南大学无锡智能控制研究院，江苏 无锡 214115；2. 中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室，辽宁 沈阳 110016；3. 中国科学院 机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳 110169；4. 湖南大学 机械与运载工程学院 整车先进设计制造技术全国重点实验室，湖南 长沙 410082）

0 引言

水下机器人，又称水下无人航行器（unmanned underwater vehicle， UUV），按照工作方式，可分为自主水下机器人（autonomous underwater vehicle， AUV）和遥控水下机器人（remotely operated vehicle， ROV）。自1957 年华盛顿大学研发出第一台可实用AUV——“专用水下研究飞行器SPURV”［1］且被应用于水文调查后，AUV逐步进入公众视野。AUV因具有模块化程度高、可拓展性强、移动速度快等优点，被广泛应用于环境和科学考察［2］、石油工业和海洋采矿业［3］以及海底地貌学研究［4］等领域。此外，AUV 作为反水雷、反潜、侦察和潜艇作战的重要装备，在军事上也发挥了重要作用［5］。

国外，AUV 发展已近70 年历程，美国、英国、日本和加拿大等发达国家已经发展出了一系列具有代表性的商业化产品，占据了绝大部分的商用市场份额［6］，如美国的Hydroid公司的Bluefin系列、挪威Kongsberg公司的REMUS 系列和HUGIN 系列、美国Teledyne 公司的Gavia 系列等［7］。但受水下能源技术、通信和定位技术的限制，AUV 仍然是目前研究的热点，新技术的开发与应用促进着更多的新产品不断涌现。

在国家高技术研究发展计划（简称“863计划”）支持下，我国于1994 年成功研制出了第一台AUV—“探索者”号。近30 年来，在国家各部门和组织的支持下，以中国科学院沈阳自动化研究所为代表的科研院所研制出了一系列水下机器人产品及配套载荷，其中一些型号产品性能指标已达国际前列水平，如“潜龙”系列AUV 和“探索”系列AUV 等［8］。但在AUV 的商业化进程上，我国相较国外仍有较大差距，缺少一批商业规模大、产品市场占有率高的商业化公司。

1 当前自主水下机器人发展面临的问题及发展方向

在水下能源、通信和定位等关键技术未取得突破性进步的当下，随着经济发展，人们在深海领域的探测愈发深入，单个AUV 的作业能力已不足以满足需求。为解决单个AUV可搭载的载荷数量有限、探测范围较窄等问题，将多AUV编队后进行集群应用是现今主流的作业方式［9］。AUV的集群应用具有以下特点：

（1） 通过大规模集群扩大水下作业范围；

（2） 通过异构AUV集群实现多种作业能力；

（3） 通过协同探测实现水下高效感知。

但该方案一方面仍未解决单个AUV 携带能源有限、作业时间短等问题，且在AUV集群应用时，单体间使用声呐、光学等设备进行信息交互进一步加大了设备载荷的整体耗能水平；另一方面目前阶段的AUV的集群控制策略、集群控制算法仍需完善，距离稳定可用还需要作进一步探索。

为提高单个AUV 的运动灵活性，增强单个AUV续航能力与作业能力，将多AUV 合为一体，即多体AUV的开发是目前研究的一个重要方向，本文旨在研究链式多体AUV。链式多体AUV具有以下特点：

（1） 通过外形重构实现功能的叠加和增强；

（2） 通过改变外形提升水下作业能力；

（3） 通过换装模块化载体拓展水下作业类型。

对现有的具有代表性的链式多体AUV进行调研，如2016 年由R.Mills 等人开发的Eelume2、在Eelume2基础上开发的EELY500［10-11］，及沈阳自动化研究所的康帅等人于2018 年设计的具有分布式推进系统的水下机器人［12-13］。从这些项目中可以发现，为增强链式多体AUV运动能力，现有的方案多采用外挂推进器的方式来实现，但增大了AUV的最大外径，降低了AUV的通过性与以及在狭窄空间的作业能力。

针对上述单个AUV 作业能力不强及现有链式多体AUV存在的问题，本文提出了一种多关节水下机器人（简称“多关节AUV”）。该多关节AUV 由若干功能载体与一个基本载体经连接关节串联而成，搭载的载荷类型与数量可根据实际需要自行选择；根据任务需求还可作为自航或基于底座的水下机械臂使用，具有通过性好、灵活性强、作业时间长和作业能力强等特点。

2 多关节水下机器人总体方案设计

2.1 总体设计方案

秉承模块化设计理念，多关节AUV整机由3部分构成，分别为基本载体、功能载体和连接关节。基本载体是多关节AUV 基本构成单元，承担控制、通信等功能。功能载体是多关节AUV 的基本功能单元，通过使用不同的功能模块，可以为多关节AUV附加不同的功能，如增强推进能力、增强操纵性、实现声呐成像和增加续航等。连接关节是多关节AUV改变工作模式的基本执行机构。如图1 所示，通过关节的转动，使多关节AUV在直航模式与工作模式之间互相切换，直航模式下多关节AUV 航行阻力最小，工作模式下多关节AUV通过形状的改变以实现更为精准全面的探测。

图1 多关节AUV 总体设计方案Fig. 1 Overall design scheme of a multi-joint AUV

该多关节水下机器人具有以下特点：

（1） 模块化程度高、拓展性强。各功能组件高度模块化，可选择搭载的典型载荷有温盐深仪（conductivity， temperature， depth， CTD）、水下摄像机、侧扫声呐、合成孔径声呐、水质检测仪和声学模块等。为了便于使用者快速更换功能舱段，一方面使用了快拆接口，仅需拆装四颗螺钉即可实现功能舱段的更换或加装；另一方面，功能舱段为中性浮力配置，功能舱段的换装不会对AUV 整体的浮力状态产生影响［14］。

（2） 操控性能好、自由度高度冗余。多关节AUV除基本的桨舵操纵机构外，还配备了操纵舱段和矢量推进舱段，除增强了AUV 的操纵性外，还在一定程度上更灵敏地遏制AUV 在执行任务中所受到的乱流扰动。

（3） 通过性好、可在狭窄空间开展作业。多关节AUV 的功能载体和基本载体舱段直径均为3 英寸（76.2 mm），且在水下航行时用于通信的天线处于折叠状态，不会影响AUV的通过性。

（4） 集成化程度高、结构稳定可靠。

2.2 系统组成与关键技术

图2示出多关节AUV的功能载体与基本载体。其中，功能载体包括操纵舱段、电源与控制舱段、矢量推进舱段及其他支持的功能舱段。基本载体包括操纵舱段、电源与控制舱段、天线舱段、后操纵舱段、舵操纵舱段及艉部推进器。

图2 多关节AUV 的功能载体和基本载体Fig. 2 Functional and basic carriers of multi-joint AUV

功能载体与基本载体都具备自航行能力。本项目研发分为两个阶段，目前正在进行第一阶段。第一阶段是将功能载体与基本载体直接通过关节串联在一起形成多关节AUV；下一阶段将逐步实现功能载体与基本载体的自主水下对接，通过对接形成多关节AUV。

在开发多关节水下机器人的过程中形成了一些关键技术：（1） 一体化集成设计技术；（2） 微型射流操纵技术；（3） 微型矢量推进技术；（4） 多维度连接关节技术；（5） 微型折叠天线技术。后面将针对这些关键技术进行详细介绍。

3 多关节水下机器人关键技术应用

3.1 微型射流操纵技术

为提高多关节AUV的操纵性，在操纵舱段内水平方向对称布置了2个射流推进器，在竖直方向布置了一个槽道推进器。各推进器作用力示意及操纵舱段模型如图3所示，在水平方向对称布置的2个射流推进器可同时工作，并可根据水平扰动力的大小，差速调整射流推进器的转速，以更好地维持AUV的航向。布置在竖直方向的槽道推进器可控制多关节AUV的俯仰角，或与其他槽道推进器一同工作以实现AUV的垂直上浮或下潜。

图3 推进器推力示意与操纵舱段模型Fig. 3 Schematic diagram of propeller thrust and control cabin model

图4示出操纵舱段内部结构原理。可以看出，在水平方向对称布置的射流推进器不同于常见的槽道推进器，射流推进器的流道入口与流道出口位于同侧，流道入口圆形环绕在流道出口四周。槽道推进器通过正反转来控制推进器，只在单独一侧产生推进力；而对称布置的2 个射流推进器可同时工作，即可在两侧同时产生推力，进一步提升了AUV的操纵性。

图4 操纵舱段内部结构原理Fig. 4 Principles of the internal structure of the control cabin section

图5（a）为射流推进器的样机。该样机与力传感器相连，并通过变送器测量接入推进器的电流与电压。将推进器浸入水池中进行系泊试验，结果如图5（b）所示。可以看出，射流推进器在100 W时，可产生8～9 N的推力。

图5 射流推进器样机及推力试验Fig. 5 Jet propulsion prototype and thrust test

图6（a）为槽道推进器的物理样机。同样将其接入力传感器与变送器浸入水池中进行系泊试验，结果如图6（b）所示。可以看出，槽道推进器在100 W 时产生的推力为11～12 N。

图6 槽道推进器样机及推力试验Fig. 6 Prototype and thrust test of channel thruster

3.2 微型矢量推进技术

链式多体AUV通常在AUV舱体外侧附加推进器来为AUV提供前进推力。这种方式的缺点在于外附式推进器的使用增大了AUV 的最大外径，减弱了AUV在狭窄空间的通过性。为了避免在给多关节AUV提供前进推力的同时减弱AUV的通过性，本文设计了矢量推进舱段。图7 示出矢量推进器舱段的模型及布置在多关节AUV 中的作用力效果。可以看出，矢量推进舱段在为多关节AUV产生前进推力的同时，没有增大多关节AUV 的最大外径，对多关节AUV 的通过性没有产生不良影响。

图7 矢量推进舱段及推力示意Fig. 7 Schematic diagram of vector propulsion cabin and thrust

图8 示出矢量推进舱段内部原理及作用效果。可以看出，流道入口与流道出口也位于同侧，流道入口垂直于AUV轴向方向，流道出口沿着AUV轴向方向；并且在水平方向对称布置了2 个矢量推进器，减速电机驱动蜗杆同步转动2 个推进器，使推进器在一定范围内可以改变推进方向。

图8 矢量推进舱段内部原理及作用效果图Fig. 8 Internal principle and effect diagram of vector propulsion cabin section

在计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）软件中对矢量推进舱段的沿轴推力（即x轴方向力）、横滚力矩、俯仰力矩及桨叶的转矩进行仿真计算，结果如表1所示。

表1 射流推进舱段仿真结果Tab. 1 Simulation results of jet propulsion cabin section

从表1 可知，射流推进器桨叶转速在8 000 r/min时产生的推力为4 N，满足设计指标；且此时的横滚力矩、俯仰力矩和桨叶转矩数值较小，在可控范围之内，不会对多关节AUV的航行稳定性产生影响。

3.3 微型折叠天线技术

由于多关节AUV耐压舱内部空间和搭载的电池能量密度有限，且天线部件中集成的天线在水下往往无法使用，可通过将天线部件在水下折叠的方法，降低微型AUV的水下航行阻力，提高其续航能力［15］；同时，还可以减少天线导致的AUV艉部流场不稳定等问题，从而降低AUV的航行噪声，提高推进器的工作效率［16］。

按照天线升起与折叠状态下的对应位置使用解析法设计四连杆机构［17］，以实现天线的折叠与升起。折叠天线机构使用舵机驱动，其驱动机构位于舱段耐压舱内部，与折叠机构通过一组锥齿轮啮合传动。驱动机构中使用一组齿数比为1∶2 的直齿轮实现减速增矩，且通过在传动轴上布置两个O形圈实现传动轴的动密封。折叠机构模型如图9所示。

图9 折叠天线机构模型Fig. 9 Model of folded antenna mechanism

在Adams 软件中进行该折叠天线机构的运动学与动力学仿真。首先，对主动件即舵机所连小齿轮添加旋转副驱动来模拟舵机的转动，其角速度被设定为200 °/s；其次，根据在样机中拟使用的材料设置各零件的材料密度；最后，根据相对运动关系，添加相互接触的零部件的摩擦系数，其中静摩擦系数被设置为0.5，动摩擦系数为0.3。在前置条件设定完成后运行仿真，提取舵机输出转矩曲线和天线升起时的角速度幅值曲线，其结果如图10所示。

图10 天线折叠机构运动学与动力学仿真结果Fig. 10 Kinematics and dynamics simulation results of antenna folding mechanism

从图10中可以看出，天线升起过程中所需舵机最大输出转矩为0.05 N·m，小于所选舵机（KST-X08H）在200 °/s下的额定转矩（0.14 N·m），可知舵机满足使用要求。天线机构的运动范围为0°～90°，符合设计要求，能够覆盖从水平折叠到竖直升起的整个微型AUV所需要的运动范围。从天线升起时的角速度幅值曲线可以得知，当机构运行0.11 s、天线升起到38.5°时，天线角速度达到最大值约400 °/s；之后，天线升起角速度缓慢降低，直到天线完全升起且角速度为0 °/s时止，整个过程用时约0.5 s。该过程角速度过渡比较平稳，不会对驱动系统造成冲击，有助于折叠天线机构的稳定运行。

在物理样机中进行天线的通信试验与折叠机构的折叠试验。通信试验结果表明，GPS、WiFi 和无线电通信效果皆良好。折叠天线升降的试验现场如图11 所示。试验中，天线折叠机构可正常运行，其中升起用时不到1 s，与仿真结果相近，但最大升起角度仅75°。通过观察得知，导致这一结果的主要原因在于WiFi、无线电和GPS天线被灌封安装到天线支架上后，天线与耐压舱内部通信设备相连接的线缆弹性较强，给天线升起带来了额外的阻力，导致天线无法升起至预定的角度，但最大升起角度为75°不影响微型AUV 的水面航行通信功能。后续将考虑通过使用线材较软的馈线来解决最大升起角度偏小问题。

3.4 多维度连接关节技术

在多关节AUV整体结构中，功能载体与功能载体间、功能载体与基本载体间均使用关节来进行连接。根据关节上有无驱动器，可将关节分为被动式连接关节和主动式连接关节，驱动器的作用是为多关节AUV构型的改变提供驱动力矩。本文分别对被动式与主动式连接关节进行了结构设计，并提出了以下几点要求，作为被动式与主动式连接关节设计时皆要考虑的因素：

（1） 关节转动时结构在各方向均无干涉；

（2） 连接稳定可靠，关节可承受足够的抗弯与抗拉力矩；

（3） 还需设计相应的结构来为关节前后载体提供数据与能源传输，进而使多关节AUV成为一个整体。

图12为被动式连接关节结构。可以看到，被动式连接关节包括上下连接法兰、穿线螺纹孔及两个法兰之间的转接件，该结构具有运动灵活，运动时没有死区且上下法兰连接单元的最大转动角度可达90°，满足使用需求。另外，为了使关节连接的邻近单元实现数据与能源传输，使用了穿线螺栓来实现线缆的穿舱与密封。相对于水密接插件，穿线螺栓在做到安全可靠的基础上减小了轴向长度，从而减少连接件对关节的运动影响。该关节内部属于渗水舱，没有做密封处理。为了使多关节AUV具有良好的水动特性，在关节安装完成之后在外表面覆以橡胶薄膜，以减小多关节AUV在运动时产生的流体阻力。

图12 被动式连接关节结构Fig. 12 Structure of passive connection joint

图13为主动式连接关节的结构，其主要包括上下连接法兰、上下穿线螺孔、轴向舵机和垂向舵机。该主动式连接关节是一个具有二自由度的连接关节，其中，轴向舵机提供绕关节轴线转动的自由度与驱动力矩，垂向舵机提供绕垂向舵机输出轴转动的自由度与驱动力矩，且垂向舵机输出轴的中线与关节轴线相垂直。该关节在线缆的穿舱处理方式、外表面的覆膜处理与被动式连接关节相同，不再赘述。

图13 主动式连接关节结构Fig. 13 Structure of active joint

4 试验验证

4.1 样机研制

为了验证多关节AUV的基本航行性能，我们制备了多关节AUV 的基本载体样机。多关节AUV 基本载体物理样机与其在水池内初步试验如图14～图15所示。

图14 多关节AUV 基本载体样机Fig. 14 Multi-joint AUV basic carrier prototype

图15 多关节AUV 基本载体样机水池试验Fig. 15 Water tank test diagram of a multi-joint AUV basic carrier prototype

4.2 功能试验

多关节AUV 基本载体样机先后在沈阳市棋盘山秀湖水域、大连小长山岛渤海海域开展试验与调试工作，图16 示出在大连小长山岛渤海海域的试验照片。首先测试3 英寸AUV 水面航行时接收GPS 信号的稳定性及定向航行的性能。试验过程中，多关节AUV 基本载体样机在水面航行状态下，通过控制折叠机构使天线处于升起状态。试验结果表明，WiFi 与无线电信号良好，满足水面数据传输要求；GPS在水面航行过程中可稳定获取卫星定位信号，在航行过程中，航向保持稳定。

图16 多关节AUV 基本载体样机在大连小长山岛渤海海域试验Fig.16 Experimental on the multi-joint AUV basic carrier prototype in the Bohai Sea area of Xiaochangshan Island,Dalian

之后进行水下定深定向航行调试。定向变深度航行的结果如图17 所示。在试验过程中，使天线处于折叠状态，将目标航向角设定为105°，0～300 s 时期望深度设为2 m，300～540 s 时期望深度设为3 m。从图17（a）的深度控制曲线中可以看出，多关节AUV基本载体样机具备定深调节能力且可按照预设任务自主变化航行深度，深度稳定后，深度误差不大于±0.1 m；从图17（b）的航向曲线中可以看出，在进行定深航行同时，航行保持稳定，在航行稳定之后，航向误差不大于±1°。

图17 定向变深度航行Fig.17 Directional variable depth navigation

5 结束语

本文提出了一种多关节AUV设计方案，该多关节AUV由若干功能载体与一个基本载体构成。文章阐述了功能载体与基本载体的结构构成，详细说明了其中使用的若干关键技术及工作原理，并研制了多关节AUV 基本载体的物理样机。通过湖上、海上试验验证了，多关节AUV具备基本的航行性能。

虽然基本载体的样机试验验证了多关节AUV 的基本航行性能，但仍存在一些不足，需要完善：（1）未能形成多关节AUV功能载体的样机，未能进行整机的试验，整机的控制策略与控制算法可行性需要试验验证；（2）目前仅形成了多关节AUV 整机的设计方案，对于可进一步增强作业能力的一些辅助装置，如机械臂等尚未进行研制。