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downloaded from www.ship- 第 6 期 收 稿 日 期 2 0 1 8 - 0 4 - 0 3 网 络 首 发 时 间 2 0 1 8 - 9 - 1 7 1 5 5 8 基 金 项 目 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （ 2 0 1 6 Y F C 0 3 0 1 7 0 0 ） 作 者 简 介 陈 虹 （ 通 信 作 者 ） ， 男 ， 1 9 7 3 年 生 ， 博 士 ， 研 究 员 。 研 究 方 向 控 制 理 论 与 控 制 工 程 。 E - m a i l c h e n h o n g 2 2 0 0 1 1 6 3 . c o m 0 引 言 海 洋 占 地 球 表 面 积 的 7 1 ， 是 地 球 上 最 大 的 自 然 地 理 单 元 ， 拥 有 地 球 上 最 多 的 生 物 种 类 和 丰 富 的 自 然 资 源 。 而 深 度 超 过 1 0 0 0 m 的 深 海 区 域 蕴 藏 着 丰 富 的 油 气 、 矿 产 、 生 物 和 深 海 水 等 资 源 ， 是 地 球 上 尚 未 被 人 类 充 分 认 识 和 开 发 利 用 的 战 略 性 资 源 基 地 ， 也 是 人 类 未 来 大 规 模 开 发 的 最 广 阔 地 区 ［ 1 ］ 。 由 于 人 类 难 以 在 海 洋 环 境 条 件 下 生 存 ， 因 此 对 海 洋 的 探 索 和 开 发 离 不 开 各 种 海 洋 装 备 。 深 海 机 器 人 是 一 类 重 要 的 海 洋 装 备 ， 通 过 搭 载 的 各 种 电 子 、 机 械 设 备 ， 能 够 快 速 、 准 确 地 巡 游 于 深 海 环 境 ， 进 行 深 海 资 源 勘 探 、 科 学 考 察 、 矿 产 开 发 以 及 深 海 爬 游 机 器 人 概 念 及 关 键 技 术 分 析 陈 虹 ， 王 心 亮 ， 魏 伟 ， 刘 智 ， 马 哲 松 ， 郑 超 ， 唐 平 鹏 武 汉 第 二 船 舶 设 计 研 究 所 ， 湖 北 武 汉 4 3 0 2 0 5 摘 要 深 海 机 器 人 是 深 海 工 程 领 域 的 重 要 装 备 。 对 比 分 析 目 前 已 研 制 的 深 海 机 器 人 的 特 点 ， 以 深 海 复 杂 海 底 大 范 围 移 动 和 精 确 稳 定 探 测 作 业 为 应 用 目 标 ， 提 出 一 种 既 可 在 深 海 游 动 又 可 在 海 底 爬 行 的 新 型 爬 游 机 器 人 概 念 ， 并 对 爬 游 机 器 人 方 案 、 技 术 指 标 和 主 要 特 点 进 行 介 绍 。 在 分 析 其 使 用 环 境 和 运 行 特 点 的 基 础 上 ， 提 出 不 同 于 传 统 水 下 机 器 人 的 爬 游 机 器 人 特 有 的 关 键 技 术 问 题 ， 包 括 运 动 姿 态 调 节 、 多 肢 多 关 节 协 同 抗 扰 流 、 低 能 耗 运 动 规 划 、 运 动 关 节 高 压 密 封 以 及 总 体 集 成 与 优 化 等 。 最 后 ， 介 绍 这 些 关 键 技 术 问 题 的 研 究 进 展 。 关 键 词 深 海 工 程 ； 深 海 潜 水 器 ； 深 海 爬 游 机 器 人 中 图 分 类 号 U 6 6 2 文 献 标 志 码 A D O I 1 0 . 1 9 6 9 3 / j . i s s n . 1 6 7 3 - 3 1 8 5 . 0 1 2 4 1 C o n c e p t a n d k e y t e c h n o l o g y a n a l y s i s o f d e e p - s e a w a l k i n g - s w i m m i n g r o b o t C H E N H o n g ， W A N G X i n l i a n g ， W E I W e i ， L I U Z h i ， M A Z h e s o n g ， Z h e n g C h a o ， T A N G P i n g p e n g W u h a n S e c o n d S h i p D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， W u h a n 4 3 0 2 0 5 ， C h i n a A b s t r a c t T h e d e e p - s e a r o b o t i s v e r y u s e f u l i n d e e p s e a e n g i n e e r i n g . B a s e d o n a c o m p a r i s o n a n d a n a l y s i s o f c u r r e n t d e e p - s e a r o b o t s , t h i s p a p e r p r o p o s e s a n o v e l c o n c e p t f o r a d e e p - s e a w a l k i n g - s w i m m i n g r o b o t， t h e p u r p o s e o f w h i c h i s t o s w i m e x t e n s i v e l y i n t h e s e a a n d w a l k s t a b l y o n t h e s e a f l o o r . T h e o v e r a l l p r o p o s a l， s p e c i f i c a t i o n s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d e e p - s e a w a l k i n g - s w i m m i n g r o b o t a r e i n t r o d u c e d . A f t e r a n a n a l y s i s o f i t s e n v i r o n m e n t a n d f u n c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ， s u c h k e y t e c h n i q u e s a s t h e r e g u l a t i o n o f t h e r o b o t s w a l k i n g / s w i m m i n g a t t i t u d e , c o o p e r a t i v e c u r r e n t a n t i - t u r b u l e n c e o f m u l t i - l e g s a n d m u l t i - j o i n t s , p a t h p l a n n i n g f o r l o w e n e r g y c o n s u m p t i o n , d y n a m i c s e a l o f d e e p - s e a j o i n t s a n d i n t e g r a t i o n a n d o p t i m i z a t i o n o f t h e o v e r a l l d e s i g n a r e p r e s e n t e d , s h o w i n g t h a t i t i s q u i t e d i f f e r e n t f r o m t r a d i t i o n a l u n d e r w a t e r a n d m u l t i - f o o t r o b o t s . F i n a l l y , t h e r e s e a r c h p r o g r e s s o f t h e a b o v e - m e n t i o n e d t e c h n i q u e s i s a l s o p r e s e n t e d . K e y w o r d s d e e p s e a e n g i n e e r i n g ； d e e p - s e a s u b m e r s i b l e ； d e e p - s e a w a l k i n g - s w i m m i n g r o b o t 期 刊 网 址 w w w . s h i p - r e s e a r c h . c o m 网 络 首 发 地 址 h t t p / / k n s . c n k i . n e t / k c m s / d e t a i l / 4 2 . 1 7 5 5 . T J . 2 0 1 8 0 9 1 5 . 1 0 2 8 . 0 0 1 . h t m l 引 用 格 式 陈 虹 ， 王 心 亮 ， 魏 伟 ， 等 . 深 海 爬 游 机 器 人 概 念 及 关 键 技 术 分 析 ［ J ］ . 中 国 舰 船 研 究 ， 2 0 1 8 ， 1 3 （ 6 ） 1 9 - 2 6 . C H E N H ， W A N G X L ， W E I W ， e t a l . C o n c e p t a n d k e y t e c h n o l o g y a n a l y s i s o f d e e p - s e a w a l k i n g - s w i m m i n g r o b o t ［ J ］ . C h i n e s e J o u r n a l o f S h i p R e s e a r c h ， 2 0 1 8 ， 1 3 （ 6 ） 1 9 - 2 6 . 第 1 3 卷 第 6 期 2 0 1 8 年 1 2 月 中 国 舰 船 研 究 Chinese Journalof Ship Research V o l . 1 3 N o . 6 D e c . 2 0 1 8downloaded from www.ship- 中 国 舰 船 研 究 第 1 3 卷 完 成 某 些 特 殊 任 务 ［ 2 ］ 。 深 海 机 器 人 的 技 术 水 平 一 定 程 度 上 标 志 着 一 个 国 家 海 洋 资 源 勘 探 、 开 发 的 科 技 水 平 和 海 洋 权 益 维 护 的 能 力 。 近 年 来 ， 世 界 各 国 针 对 深 海 机 器 人 技 术 进 行 了 广 泛 研 究 ， 已 研 制 出 多 种 类 型 的 深 海 机 器 人 。 其 中 自 主 式 水 下 机 器 人 （ A U V ） 和 遥 控 水 下 机 器 人 （ R O V ） 是 研 究 较 多 的 深 海 机 器 人 。 在 深 海 A U V 方 面 ， 国 外 著 名 的 有 美 国 麻 省 理 工 学 院 开 发 的 O d y s s e y 系 列 ［ 3 ］ 、 加 拿 大 I S E 公 司 研 发 的 E x p l o r e r A U V ［ 4 ］ 等 ， 国 内 也 有 中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所 联 合 哈 尔 滨 工 程 大 学 等 单 位 研 制 的 C R - 0 1 及 其 改 进 型 C R - 0 2 ， 以 及 后 来 自 主 研 制 的 “ 潜 龙 一 号 ” 和 “ 潜 龙 二 号 ” ［ 5 - 6 ］ ， 如 图 1 所 示 。 在 深 海 R O V 方 面 ， 国 外 著 名 的 有 美 国 伍 兹 霍 尔 海 洋 研 究 所 研 制 的 J a s o n 号 、 日 本 海 洋 科 学 技 术 中 心 研 制 的 K A I K O 7 0 0 0 号 等 ， 国 内 上 海 交 通 大 学 也 先 后 研 制 出 了 “ 海 龙 ” 号 和 “ 海 马 ” 号 R O V ［ 7 ］ ， 如 图 2 所 示 。 对 比 A U V 与 R O V 可 知 ， A U V 无 需 电 缆 遥 控 ， 活 动 范 围 大 ， 探 测 能 力 强 ， 但 悬 停 定 位 、 稳 定 作 业 能 力 不 足 ， 而 R O V 依 靠 多 个 不 同 方 向 的 推 进 器 提 供 稳 定 推 力 ， 可 精 确 移 动 定 位 和 作 业 ， 但 活 动 范 围 受 拖 缆 的 限 制 。 A U V 和 R O V 往 往 设 计 为 零 浮 力 ， 因 而 在 复 杂 的 海 底 作 业 时 会 受 到 比 较 大 的 限 制 ， 而 爬 行 机 器 人 在 这 方 面 则 有 着 先 天 优 势 。 近 年 来 ， 随 着 陆 上 多 足 机 器 人 的 发 展 ， 国 外 也 开 始 了 水 下 多 足 机 器 人 的 研 究 。 如 美 国 宾 西 法 尼 亚 大 学 研 制 的 R h e x ［ 8 ］ 、 加 拿 大 麦 吉 尔 大 学 研 制 的 A Q U A ［ 9 ］ 、 韩 国 海 洋 系 统 研 究 工 程 部 2 0 1 5 年 研 制 的 缆 控 水 下 多 足 仿 生 机 器 人 C R 2 0 0 ［ 1 0 ］ （ 图 3 ） 以 及 图 1 国 内 外 著 名 的 A U V F i g . 1 T h e t y p i c a l A U V s i n t h e w o r l d （ a ） O d y s s e y （ c ） C R - 0 1 （ b ） E x p l o r e r A U V （ d ） 潜 龙 二 号 （ d ） “ 海 马 ” 号 （ a ） J a s o n （ b ） K A I K O 7 0 0 0 （ c ） “ 海 龙 ” 号 图 2 国 内 外 著 名 的 R O V F i g . 2 T h e t y p i c a l R O V s i n t h e w o r l d 2 0downloaded from www.ship- 第 6 期 目 前 正 在 研 制 的 深 海 版 C R 6 0 0 0 等 。 水 下 多 足 机 器 人 可 以 像 龙 虾 和 螃 蟹 一 样 在 海 底 爬 行 。 研 究 表 明 ， 爬 行 机 器 人 具 有 地 形 适 应 性 好 、 海 底 作 业 稳 定 等 优 点 ， 但 同 时 也 显 露 出 其 能 源 利 用 效 率 低 、 机 动 能 力 弱 等 不 足 。 鉴 于 此 ， 本 文 提 出 一 种 既 可 在 水 下 巡 游 ， 又 能 在 海 底 爬 行 的 爬 游 混 合 型 机 器 人 新 概 念 ， 并 对 爬 游 机 器 人 水 下 运 动 模 式 存 在 的 挑 战 及 关 键 技 术 进 行 深 入 分 析 ， 同 时 对 爬 游 机 器 人 实 体 样 机 的 研 制 进 展 做 简 要 介 绍 。 1 爬 游 机 器 人 概 念 及 特 点 针 对 深 海 海 底 复 杂 环 境 下 的 稳 定 探 测 和 精 确 作 业 等 任 务 需 求 ， 深 海 爬 游 混 合 型 机 器 人 既 可 通 过 多 肢 多 关 节 结 构 实 现 海 底 复 杂 地 形 中 的 精 确 移 动 和 洋 流 干 扰 下 的 稳 定 坐 底 ， 也 可 利 用 导 管 螺 旋 桨 推 动 爬 游 机 器 人 进 行 快 速 远 距 离 的 水 下 巡 游 。 通 过 合 理 规 划 爬 行 和 游 动 的 组 合 轨 迹 与 控 制 ， 实 现 有 限 能 源 的 最 优 利 用 。 兼 具 A U V 高 效 大 范 围 的 机 动 能 力 与 R O V 的 精 确 移 动 定 位 能 力 ， 还 可 在 复 杂 的 海 底 地 形 和 洋 流 扰 动 下 ， 进 行 稳 定 的 海 底 作 业 。 此 外 ， 在 海 底 采 用 足 式 移 动 ， 相 对 轮 式 、 履 带 式 及 螺 旋 桨 对 海 底 沉 积 物 扰 动 小 ， 可 为 所 携 带 的 探 测 传 感 设 备 提 供 更 好 的 探 测 条 件 ， 便 于 对 海 底 作 业 目 标 的 探 测 和 识 别 。 爬 游 机 器 人 采 用 模 块 结 构 ， 主 要 包 括 4 个 组 成 部 分 1 ）平 台 与 动 力 系 统 ， 包 含 主 控 制 舱 、 抛 载 控 制 舱 、 本 体 框 架 、 主 电 源 、 浮 力 材 料 、 主 推 进 器 和 垂 直 推 进 器 。 2 ） 机 械 腿 系 统 ， 包 含 前 腿 、 中 腿 、 后 腿 、 机 械 手 和 足 力 传 感 器 。 其 中 ， 前 腿 可 兼 作 机 械 手 。 3 ）导 航 与 控 制 系 统 ， 包 含 控 制 电 子 舱 、 导 航 计 算 机 、 运 动 控 制 计 算 机 、 惯 性 导 航 系 统 、 超 短 基 线 定 位 和 水 声 通 信 系 统 、 频 闪 灯 、 高 度 计 、 深 度 计 、 水 下 照 明 、 水 下 相 机 及 避 碰 声 呐 。 4 ） 安 全 抛 载 系 统 。 其 总 体 方 案 如 图 4 所 示 。 主 体 结 构 采 用 框 架 式 ， 6 条 多 关 节 机 械 腿 对 称 布 置 于 框 架 下 方 两 侧 ， 1 对 导 管 桨 推 进 器 水 平 安 装 在 框 架 后 部 。 框 架 中 部 布 置 有 容 纳 各 类 控 制 器 件 的 控 制 电 子 舱 ， 高 能 量 密 度 主 电 源 、 潜 浮 与 应 急 抛 载 系 统 等 机 构 及 模 块 位 于 耐 压 舱 下 面 的 框 架 结 构 下 部 。 框 架 上 不 采 用 浮 力 材 料 填 充 包 覆 ， 本 体 部 分 采 用 非 回 转 体 流 线 外 形 ， 以 使 爬 游 机 器 人 获 得 较 好 的 水 动 力 性 能 （ a ） R h e x （ b ） A Q U A （ c ） C R 2 0 0 图 3 国 外 水 下 多 足 机 器 人 F i g . 3 M u l t i - l e g g e d u n d e r w a t e r r o b o t s a b r o a d 图 4 爬 游 机 器 人 总 体 方 案 图 F i g . 4 D i a g r a m o f t h e g e n e r a l p l a n o f d e e p - s e a w a l k i n g - s w i m m i n g r o b o t 浮 力 材 料 频 闪 灯 控 制 电 子 舱 抛 载 控 制 舱 天 线 水 下 照 明 水 下 相 机 惯 性 导 航 系 统 避 碰 声 呐 抛 载 装 置 前 腿 中 腿 机 械 手 足 力 传 感 器 高 度 计 深 度 计 后 腿 主 电 源 本 体 框 架 D V L 多 普 勒 计 程 仪 主 推 进 器 垂 直 推 进 器 超 短 基 线 定 位 和 水 声 通 信 装 置 陈 虹 等 深 海 爬 游 机 器 人 概 念 及 关 键 技 术 分 析 2 1downloaded from www.ship- 中 国 舰 船 研 究 第 1 3 卷 及 站 立 抗 扰 流 性 能 。 针 对 深 海 科 学 考 察 、 环 境 监 测 、 工 程 实 施 、 应 急 搜 救 等 需 求 ， 在 进 行 深 海 爬 游 机 器 人 关 键 技 术 研 究 的 同 时 ， 同 步 开 展 实 体 工 程 样 机 研 制 工 作 ， 并 通 过 海 试 对 爬 游 机 器 人 的 相 关 性 能 进 行 验 证 。 该 爬 游 机 器 人 的 主 要 技 术 指 标 见 表 1 。 2 关 键 技 术 分 析 爬 游 机 器 人 不 是 在 现 有 多 足 机 器 人 的 基 础 上 简 单 地 加 个 螺 旋 桨 就 可 以 实 现 的 。 首 先 ， 爬 、 游 混 合 将 带 来 更 加 丰 富 的 运 动 模 式 ， 爬 游 机 器 人 独 有 的 多 模 式 平 稳 切 换 对 于 实 现 其 水 下 功 能 至 关 重 要 ； 其 次 ， 爬 游 机 器 人 为 无 缆 自 主 机 器 人 ， 所 携 带 的 能 源 有 限 ， 需 要 优 化 不 同 运 动 模 式 的 能 源 消 耗 以 实 现 更 好 的 任 务 完 成 能 力 ； 最 后 ， 爬 游 机 器 人 的 应 用 环 境 在 深 海 ， 设 备 器 件 都 需 要 承 受 高 水 压 ， 尤 其 是 机 械 腿 电 动 关 节 往 复 摆 动 密 封 不 同 于 常 规 螺 旋 桨 动 密 封 。 这 些 独 特 的 应 用 特 点 将 带 来 一 系 列 不 同 于 传 统 水 下 机 器 人 的 新 的 关 键 技 术 问 题 。 通 过 总 结 分 析 可 以 发 现 ， 爬 游 机 器 人 需 要 解 决 的 关 键 技 术 问 题 除 了 通 常 A U V 中 需 要 解 决 的 水 动 力 性 能 、 耐 压 结 构 以 及 爬 行 机 器 人 要 解 决 的 行 走 步 态 等 关 键 技 术 外 ， 还 需 解 决 适 应 其 应 用 特 点 的 特 殊 问 题 ， 包 括 爬 游 切 换 时 的 稳 定 控 制 、 洋 流 扰 动 下 如 何 稳 定 、 多 运 动 模 式 如 何 规 划 调 节 才 能 有 效 利 用 能 量 、 运 动 关 节 的 高 压 密 封 ， 以 及 新 型 爬 游 机 器 人 总 体 集 成 与 优 化 等 。 2 . 1 运 动 姿 态 调 节 爬 游 机 器 人 不 同 于 传 统 爬 行 机 器 人 的 重 要 方 面 是 其 兼 具 有 海 底 爬 行 和 水 中 游 动 功 能 ， 这 也 使 其 拥 有 了 更 多 的 运 动 模 式 ， 在 水 下 主 要 包 括 下 潜 、 巡 游 、 落 底 、 坐 底 、 爬 行 、 作 业 、 起 底 、 上 浮 等 8 种 方 式 。 而 由 本 体 和 机 械 腿 构 成 的 爬 游 机 器 人 腿 部 重 量 较 大 ， 可 通 过 调 整 腿 部 关 节 的 角 度 来 调 节 机 器 人 整 体 的 重 心 高 度 。 多 种 稳 定 调 节 的 手 段 以 及 更 加 丰 富 的 运 动 模 式 ， 使 得 爬 游 机 器 人 的 运 动 姿 态 调 节 对 于 爬 游 机 器 人 水 下 运 行 的 安 全 稳 定 具 有 重 要 意 义 。 爬 游 机 器 人 在 爬 行 / 游 动 混 合 运 动 模 式 中 ， 其 姿 态 、 航 速 变 化 幅 度 较 大 ， 存 在 多 种 非 线 性 不 确 定 性 ， 多 足 与 推 进 器 作 用 效 能 时 变 ， 系 统 的 稳 定 裕 度 较 低 ， 极 易 失 稳 。 因 此 ， 既 需 要 综 合 考 虑 爬 游 机 器 人 运 动 状 态 的 可 达 性 和 状 态 切 换 的 平 稳 性 ， 又 需 要 具 备 在 复 杂 海 流 及 多 种 非 线 性 不 确 定 性 干 扰 情 况 下 的 鲁 棒 控 制 能 力 。 需 针 对 爬 游 机 器 人 爬 行 模 式 与 游 动 模 式 之 间 的 切 换 ， 设 计 爬 游 混 合 运 动 控 制 算 法 。 规 划 模 式 转 化 过 程 中 躯 体 的 姿 态 变 化 轨 迹 、 多 肢 关 节 的 路 径 以 及 推 进 器 的 控 制 策 略 ， 在 足 力 、 关 节 转 角 偏 转 的 驱 动 下 ， 引 导 爬 游 机 器 人 姿 态 由 爬 行 姿 态 逐 渐 跃 起 ， 在 推 进 器 的 动 力 下 离 地 游 动 ， 多 肢 关 节 在 变 换 到 巡 游 模 式 时 ， 需 要 配 合 机 械 腿 完 成 姿 态 的 闭 环 调 整 ， 从 而 实 现 爬 行 到 游 动 的 混 合 平 滑 切 换 控 制 。 同 理 ， 需 实 现 由 巡 游 模 式 到 爬 行 模 式 的 反 向 转 换 。 针 对 游 动 模 式 与 爬 行 模 式 切 换 的 落 底 和 起 底 过 程 ， 以 爬 行 平 衡 状 态 为 起 点 ， 巡 游 状 态 为 终 点 ， 以 状 态 和 能 量 变 化 最 小 为 目 标 函 数 ， 连 续 求 解 模 式 转 换 过 程 中 的 躯 体 和 关 节 的 平 衡 点 状 态 ， 形 成 模 式 转 换 路 径 ， 即 一 系 列 连 续 变 化 的 航 速 、 姿 态 、 多 肢 关 节 偏 转 构 成 的 平 衡 点 ； 以 转 换 路 径 作 为 参 考 指 令 ， 不 同 平 衡 点 根 据 运 动 过 程 中 各 腿 部 关 节 以 及 推 进 器 对 于 姿 态 的 作 用 效 能 ， 根 据 逆 动 力 学 求 解 姿 态 平 衡 所 需 的 力 和 力 矩 ， 然 后 按 照 比 例 分 配 给 相 应 执 行 机 构 ， 并 采 用 模 糊 推 理 根 据 当 前 的 航 速 及 姿 态 对 连 续 运 动 过 程 进 行 综 合 推 理 分 析 ， 从 而 实 现 多 模 式 爬 行 / 游 动 平 滑 切 换 的 混 合 运 动 控 制 。 落 底 / 起 底 控 制 逻 辑 图 如 图 5 所 示 。 2 . 2 多 肢 多 关 节 协 同 抗 扰 流 由 于 海 水 的 密 度 约 为 空 气 密 度 的 8 0 0 倍 ， 使 得 爬 游 机 器 人 在 水 底 移 动 及 遭 遇 扰 流 时 的 水 阻 力 远 高 于 陆 上 机 器 人 移 动 受 到 的 空 气 阻 力 ， 这 也 是 水 下 机 器 人 与 陆 上 机 器 人 的 另 一 显 著 差 别 ， 在 分 析 水 下 机 器 人 的 受 力 时 必 须 要 考 虑 流 动 阻 力 的 影 响 。 在 爬 游 机 器 人 水 下 坐 底 、 爬 行 和 作 业 时 ， 可 能 受 到 来 自 不 同 方 向 的 具 有 一 定 流 速 的 暗 流 的 扰 动 ， 对 爬 游 机 器 人 的 沉 底 作 业 稳 定 性 造 成 了 很 大 的 影 响 。 爬 游 机 器 人 特 有 的 多 肢 多 关 节 结 构 使 其 表 1 爬 游 机 器 人 主 要 技 术 指 标 T a b l e 1 T h e t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s o f w a l k i n g - s w i m m i n g r o b o t 参 数 长 / m 宽 / m 高 / m 重 量 / k g 最 大 离 地 高 度 / m 机 械 腿 / 条 水 平 推 进 器 / 个 垂 直 推 进 器 / 个 爬 行 速 度 / k n 游 动 速 度 / k n 抗 洋 流 速 度 / k n 数 值 2 . 9 2 . 3 1 . 7 1 4 0 0 0 . 5 6 2 2 ≥ 0 . 2 ≥ 3 ≤ 3 2 2downloaded from www.ship- 第 6 期 图 5 落 底 / 起 底 控 制 逻 辑 图 F i g . 5 T h e c o n t r o l d i a g r a m o f l a n d i n g / l i f t i n g 可 通 过 机 械 关 节 角 度 的 调 节 来 实 现 本 体 姿 态 的 调 整 ， 从 而 改 变 受 到 来 流 时 的 升 力 阻 力 分 配 ， 提 高 其 在 扰 流 中 的 稳 定 性 。 根 据 爬 游 机 器 人 总 体 方 案 ， 结 合 设 计 指 标 要 求 ， 开 展 了 爬 游 机 器 人 本 体 水 动 力 建 模 与 抗 洋 流 稳 定 性 研 究 。 通 过 C F D 数 值 计 算 手 段 ， 对 不 同 本 体 倾 角 条 件 下 的 爬 游 机 器 人 本 体 受 水 动 力 情 况 进 行 了 仿 真 分 析 （ 图 6 ） ， 获 得 了 不 同 倾 角 时 本 体 升 力 、 阻 力 的 变 化 情 况 。 由 图 6 可 知 ， 在 相 同 来 流 速 度 情 况 下 ， 本 体 倾 角 的 变 化 对 受 力 有 显 著 影 响 。 在 此 基 础 上 考 虑 地 面 边 界 效 应 以 及 支 撑 足 的 影 响 ， 建 立 了 附 加 6 条 足 的 地 面 站 立 爬 行 机 器 人 流 场 仿 真 模 型 （ 图 7 ） ， 并 对 不 同 来 流 以 及 不 同 本 体 倾 角 条 件 下 的 水 动 力 性 能 进 行 数 值 模 拟 ， 结 合 动 态 稳 定 裕 度 法 对 爬 游 机 器 人 的 稳 定 性 进 行 计 算 ， 得 到 了 不 同 洋 流 条 件 下 本 体 的 安 全 活 动 阈 值 （ 图 8 ） ， 下 一 步 将 据 此 构 建 洋 流 条 件 下 的 爬 游 机 器 人 安 全 运 行 策 略 。 2 . 3 低 能 耗 运 动 规 划 作 为 自 主 运 行 的 爬 游 机 器 人 ， 其 所 携 带 的 能 源 总 量 有 限 ， 所 携 带 能 源 的 利 用 效 率 直 接 决 定 了 爬 游 机 器 人 水 下 的 作 业 时 间 和 作 业 范 围 。 爬 行 具 有 精 确 移 动 的 优 势 ， 但 能 量 消 耗 较 高 ， 而 游 动 时 的 能 源 利 用 效 率 较 高 ， 这 就 使 得 低 能 耗 运 动 规 划 成 图 6 爬 游 机 器 人 本 体 不 同 姿 态 下 的 水 动 力 分 析 F i g . 6 T h e h y d r o d y n a m i c a n a l y s i s o f m a i n b o d y o f w a l k i n g - s w i m m i n g r o b o t u n d e r d i f f e r e n t a t t i t u d e s V e l o c i t y s t r e a m l i n e 1 0 . 7 0 0 . 6 5 0 . 6 0 0 . 5 5 0 . 5 0 0 . 4 5 0 . 4 0 1 3 0 . 0 1 1 2 . 0 9 4 . 0 7 6 . 0 5 8 . 0 4 0 . 0 2 2 . 0 4 . 0 - 1 4 . 0 - 3 2 . 0 - 5 0 . 0 P r e s s u r e c o n t o u r 1 图 7 爬 游 机 器 人 在 洋 流 中 底 部 站 立 流 线 图 F i g . 7 T h e s t r e a m l i n e s o f w a l k i n g - s w i m m i n g r o b o t s t a n d i n g a t t h e s e a b e d w i t h t h e c u r r e n t 图 8 爬 游 机 器 人 不 同 安 全 活 动 阈 值 图 F i g . 8 T h e s a f e t y t h r e s h o l d o f w a l k i n g - s w i m m i n g r o b o t u n d e r d i f f e r e n t a c t i v i t i e s 腿 部 关 节 与 推 进 基 本 动 作 期 望 推 力 期 望 俯 仰 力 矩 期 望 横 倾 力 矩 期 望 偏 航 力 矩 力 矩 分 配 姿 态 反 馈 关 节 与 推 进 指 令 姿 态 角 左 右 前 肢 关 节 左 右 中 肢 关 节 左 右 后 肢 关 节 左 右 推 进 器 姿 态 传 感 器 潜 水 器 动 力 学 航 速 传 感 器 航 速 模 糊 推 理 综 合 转 换 指 令 自 适 应 补 偿 模 式 转 换 路 径 姿 态 角 指 令 航 速 指 令 逆 动 力 学 水 动 力 （ a ） 速 度 流 线 图 （ b ） 压 力 云 图 3 0 2 0 1 0 0 - 1 0 - 2 0 - 3 0 θ / （ ° ） 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 . 6 V / （ m · s - 1 ） / （ m · s - 1 ） / （ m · s - 1 ） 陈 虹 等 深 海 爬 游 机 器 人 概 念 及 关 键 技 术 分 析 2 3downloaded from www.ship- 中 国 舰 船 研 究 第 1 3 卷 为 爬 游 机 器 人 需 要 解 决 的 一 个 关 键 问 题 。 需 要 对 不 同 海 底 环 境 、 不 同 任 务 开 展 运 动 方 式 的 规 划 ， 并 与 优 化 问 题 同 时 展 开 分 析 ， 对 深 海 爬 游 机 器 人 的 路 径 规 划 、 运 动 规 划 、 爬 行 / 游 动 模 态 的 控 制 算 法 开 展 研 究 ， 构 造 最 低 能 耗 规 划 控 制 算 法 ， 提 高 爬 游 机 器 人 的 运 动 能 耗 性 能 。 低 能 耗 运 动 规 划 研 究 分 为 局 部 能 耗 优 化 和 全 局 能 耗 优 化 2 种 。 局 部 优 化 指 爬 行 、 游 动 等 模 态 下 的 能 量 损 耗 最 优 ， 全 局 优 化 指 基 于 深 海 复 杂 地 貌 环 境 探 测 与 能 耗 评 估 ， 进 行 路 径 、 运 动 规 划 ， 实 现 能 量 最 优 分 配 。 针 对 局 部 能 耗 优 化 ， 需 对 关 节 电 机 和 推 进 器 电 机 的 能 耗 进 行 分 析 。 对 足 端 脚 力 约 束 和 关 键 力 矩 约 束 进 行 分 析 ， 对 爬 行 、 游 动 、 爬 / 游 混 合 姿 态 控 制 结 构 中 的 步 态 分 配 、 多 足 脚 力 控 制 的 参 数 进 行 调 整 ， 使 其 在 满 足 控 制 性 能 指 标 及 稳 定 裕 度 的 基 础 上 ， 降 低 爬 行 、 巡 游 、 爬 游 混 合 等 不 同 运 动 模 式 下 的 能 源 消 耗 。 对 于 全 局 能 耗 优 化 ， 需 要 建 立 复 杂 地 貌 因 素 、 运 动 模 式 与 能 量 消 耗 之 间 的 模 式 分 类 函 数 ， 对 不 同 因 素 的 能 量 损 耗 进 行 量 化 分 析 ， 结 合 系 统 的 约 束 条 件 ， 在 保 证 爬 游 机 器 人 的 任 务 可 达 的 基 础 上 ， 规 划 出 一 条 爬 游 机 器 人 从 当 前 起 点 到 目 标 任 务 点 的
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