深海遥控重型作业机器人发展现状与展望

张定华，刘可安

（1. 上海中车艾森迪海洋装备有限公司，上海 201306；2. 株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

海洋蕴藏有丰富的油气、矿产和生物等多样化的资源。随着陆地资源短缺、生态恶化和能源枯竭等问题的日益严峻，社会的可持续发展对资源的依赖将不可避免地由陆地转向海洋［1-2］。因此各沿海国家纷纷加快了对海洋资源和空间开发及利用的能力建设，如通过在海底布置光缆实现连接洲际和远洋的通信畅通；布置海底管道实现远洋油气向陆地输送；布局海底电缆实现海洋能源与陆地电网并入等，为了保护这些海底管缆的安全，进行深铺埋是最有效、最直接、最经济的手段［3］。此外还有深海可燃冰、矿产资源的开发等人类正在工程探索的新方向［4］。这些任务的完成都是需要深海重型作业机器人来取代陆地上的人和机械的组合，以完成海底特殊环境下的作业。由于海底重型作业过程需要充足的动力供给，同时对复杂作业过程中的闭环操控需要进行大量的数据交互，这使得有缆遥控作业机器人成了目前主流的装备［5］，其中海底采矿机器人、可燃冰探采机器人、深海底挖沟机、铺设犁等均为这类装备的代表。

我国经过40多年的滚动科技攻关，近年陆续完成载人潜水器“奋斗者号”、滑翔机 “海燕号”、无人潜水器“悟空号”和“海斗号”等为代表的多个万米深海探测装备研制，并取得了一批基础理论和技术的成果，带动了深海装备产业链的发展。“深海开发”是在“深海进入/深海探测”之后的深海战略经济目标，装备水平直接关系到参与“人类共同深海资源开发”的机会，这些装备不仅需要接受深海高压强、腐蚀、低温、陡峭地形、时变风浪涌流的复杂耦合挑战，还需具备长时间免维护、低成本高效运行、全工序安全可控、低阻力高效推进的运营能力。

深海遥控重型作业机器人是围绕某些具体的施工作业需求，将海洋工程、机械液压、信息融合、智能控制、网络与通信和新材料等多项技术融合于一体，并重点结合工程使用的可靠性和经济性因素，结构和作业模式经过了针对化设计的水下特种机器人。相对科考潜水器来说，深海重型作业装备的外形更加庞大、重量更重、体积更大、结构更加复杂、功能更加多样化、模块化设计更完善［6-7］。西方国家的该类装备的技术伴随着美国墨西哥湾和英国北海的油气及新能源开发而逐步发展成熟，当前正朝着少人化的方向发展。我国近年来也在加快深海重型作业装备的研制步伐，抓住时机进行技术更新换代，以缩减与西方国家的差距，掀起了科技界和工程界的研究热潮。为了给国内众多深海重型作业装备生产商提供一些产业参考，本文将全面分析该类机器人的分类、构成及关键技术的研究现状，并结合个人的思考对其未来技术和产业的发展进行展望。

1 遥控作业系统构成及分类

一个完整的遥控作业系统包括水面支持母船、水下机器人本体、作业工具系统和水面布放回收及支持系统。其中支持母船主要提供电力供给和搭载平台，布放回收及支持系统使得水下机器人能够顺利完成下水布放和安全回收，机器人本体和作业工具的结合则用于完成设备在水下的运动和具体的作业过程。本节概述了国内外几款典型深海作业机器人产品及其本体结构与水面支持系统。

1.1 几款典型的深海作业机器人产品

深海作业机器人的主要代表产品是ROV、挖沟机、敷设犁和深海采矿车，这些产品的功率从200 kW到2 000 kW，质量从5 t 到310 t，工作水深达6 000 m。目前，全球的作业级ROV 差不多1 200 台，主要由MFC、Perry和中车英国SMD公司提供，用于水下生产系统的建造和运维支持。挖沟机和敷设犁都是深海管线的专业保护作业装备，目前，全球大约有200 台套，主要由中车英国SMD、IHC 及Perry 公司提供，用于海洋油气开发及动力电缆和海底通信光缆的铺设等［6-8］。由于关于ROV的文章介绍较多［9］，下面将结合挖沟机和敷设犁对深海作业机器人进行介绍。典型挖沟机的链锯和柱状切割片等机械设备切碎土质（适应土壤硬度高达80 MPa）并将破碎土质排出，形成300～600 mm宽的沟壑，其标准挖沟深度是3 m，也可以加深到5 m，如表1 所示。这种机械切割和水射流相结合的挖沟方式可弥补喷射式、纯机械犁挖沟方式的不足。

表1 典型的挖沟机产品性能Tab.1 Performances of typical trenching machine products

为了提高施工效率，依靠大马力动力定位母船拖曳，敷设犁的犁刀切入土中挖出“V”形或矩形沟［10］。这种犁的挖沟速度快，破土强度可以达到350 kPa；同时所挖沟形成形稳定、受海流影响小，作业水深主要集中于1 500 m 以内，可以开展清障、开沟、管线布放和回填等多种作业［11］。目前行业内的代表产品如表2 所示。

表2 典型的敷设犁Tab.2 Typical laying plow

1.2 机器人本体及结构方式

考虑作业工具的搭载及其与工具组合后的作业模式，深海作业机器人本体的结构分为履带运动式、雪橇运动式和悬浮运动式3 种，可满足不同海底土壤地质上的运动需求。其中，履带运动式适用于较硬的地质，能依靠驱动履带行走提供足够的与地面的剪切力和摩擦力，整个装备利用水力射流、链式或轮式切割等功能在海床完成开沟、矿石开采等重负荷作业，如图1（a）所示。雪橇运动模式主要适合偏稀软的地质，通过较大的接触面积来提供足够的支撑力以保障机器人自身的姿态，其行进的动力需要由母船拖曳提供，如图1（b）；或者由机器上配置的推进器组合提供，如图1（c）所示。悬浮运动模式主要用于满足快速灵活移动水中目标的作业，其利用自身水中重量低或有外界提升机构的特点，使用配置的多方向的推进器进行矢量合成目标方向的推动，如图1（d）所示；或者是稀软地质下的不直接接触的射流作业，如图1（e）所示。当然，机器人也可以进行模块化设计，在不同的场合搭载不同的底盘和工具，将悬浮运动、雪橇运动和履带运动集成在一起，类似于图1（f）所示的结构形式。

图1 不同结构形式的深海作业机器人Fig.1 Deep-sea operation robots with different structural forms

一个水下机器人本体包括框架、动力系统、传感及控制系统和工具搭载系统。以自行走履带式开沟机为例，其主要包括框架、浮力模块、推进系统、电子舱及所搭载的传感器和作业工具。其中，框架为机械部件、电气部件、推进部件、声呐、摄像头、照明灯、机械手、传感器和作业工具等提供安装平台，主要由铝材和复合塑料组成，其设计要求是在提供满足要求的抗压能力和支撑力的同时重量低。浮力模块的主要作用是通过自身的浮力来抵消其他部件和自身在水中所受的重力，从而减轻机器人在水中的重量，降低接地压力。推进系统的作用是通过控制各个方向的推进器来提供不同方向的推进力，从而满足相应运动对作业力的需求。水下电力及电子系统通过变压器和电力电子变换器给各电气部件提供相应电压等级的电源，电子舱通过采集及计算各种电子电路的信号来实现对执行机构和传感器的控制，并通过集成多路通信信号（后转换成光信号）来实现与控制舱的通信。

不同的运动方式不仅决定了水下机器人本体的结构模式及外形参数，也决定了甲板配套系统的布放回收方式和对支持母船的要求［12］。例如，履带式机器人和悬浮式机器人只需要母船提供电能；而拖曳式机器人则需要母船提供拖曳绞车和拖曳钢缆，这就需要船舶具备拖曳的能力。表3 对各式机器人的特点进行了简单的对比。

表3 不同结构水下机器人的性能对比Tab.3 Performance comparison of underwater robots with different structures

1.3 水面支持系统

水下遥控作业机器人在重型作业的过程中需要的功率较大，同时由于作业场景、作业对象和作业工序的不确定性，需要水面操作人员作为闭环控制的重要环节，因此在运行过程中，需要光电脐带缆作为水面和水下供电及通信的连接。考虑水下设备要往返支持母船甲板和水下，需要相应的布放回收设备，因此整个水面支持部分可以分为控制舱和甲板设备，如图2所示。水面的控制舱包括两个部分：其一是供电系统，通过系列供电及保护设备实现船舶发电机给水下装置的供能；另一个是控制和人机交互系统，通过光电复合脐带缆中的光纤介质实现船舶与水下设备的通信及对水下设备及环境的实时监视，并将控制指令传递给水下设备，实现对水下设备的实时控制。甲板布放回收系统是连接母船与水下设备的必要设备，用于实现水下机器人从甲板到水下的布放和回收。根据机器人的体积、重量和船舶的搭载能力，布放回收系统可以分为直拉式和牵引绞车式，它们与不同门架相结合，组成直拉绞车布放、滑轨舷侧布放和游车水下布放等不同收放方式，如图3所示。

图2 水面支持系统作业功能结构Fig.2 The operation function and structure of water surface support system

图3 典型的收放方式Fig.3 Typical storage and retrieval methods

2 部分关键技术现状及其发展趋势

深海作业机器人是一个复杂的大系统，涉及传感、控制、电机电器、液压密封、材料与防腐、力学结构等多方面技术。目前，随着电传动技术和智能控制技术的发展，深海作业在满足安全持久的基本要求上，正逐步朝着“少人化”和“无人化”方向发展，这将引导整个系统朝着分布式控制、液转电、局部智能与整体智能相结合的方向发展。下面将从感知与控制、供能与驱动、系统集成技术等方面对深海作业机器人的技术现状和发展趋势进行阐述。

2.1 感知定位与控制技术

由于深海环境黑暗无光，需要物体自身提供光源，而且水中各种信号的衰减特性复杂，因此，深海设备需集成声学、光学、电学和磁感应技术于一体，其上各种传感方式发挥各自的特长，这与陆地的无人驾驶类似。水下常见的感知传感器有声呐、摄像头、惯性导航系统、激光、超短基线定位系统（USBL）、多普勒流速计（DVL）、电磁探测设备（TSS），其各自的优缺点对比如表4 所示。声呐主要用于搜索较远距离的目标并进行形体扫描，摄像头主要用于中等距离目标的观察，激光可进行近距离目标的3D扫描精细化识别，而电磁探测主要用于识别土壤中的非裸露物体。与非水下环境传感感知系统相比，水下传感感知系统通常具有感知方式单一、距离短、精度低、信息量稀疏、易受外部环境影响等缺点，因此水下ROV通常需要搭载多种传感装置用于水下作业。在多传感器数据融合的基础上，目前国内外已开发了基于摄像头的水下图像增强、作业对象辨识及其评估、环境感知及其可视化、组合导航定位等技术，并且有相关产品取得应用业绩。随着人工智能、图像处理、大数据等技术在水下机器人上推广应用，集成了多种传感器设备、具备针对特定应用场景对应功能的嵌入式传感器系统将成为新的水下综合智能感知技术发展趋势。比如，集成水下视觉、声呐、惯导、声学定位系统和DVL 多种传感器信息的组合导航定位及水下三维在线重构技术，可满足不同场景下的水下高精度导航定位及基于增强现实技术的辅助作业需求；水下全视景摄像头及其综合显示技术，将目前自动驾驶领域的热门技术应用到水下作业领域，实现了操作人员对水下机器人全方位、无死角地观察，从而提高了水下机器人的可靠性和安全性；基于数字孪生、元宇宙技术的水下智能工厂运维技术，通过构建水下作业场景、作业对象、作业机器人系统模型，采集作业现场海量传感器信息，可实现机器人全生命周期管理和风险预测，降低了人员干预度。

表4 典型水下传感器性能对比表Tab.4 Comparison of performances of typical underwater sensors

路径规划是水下大范围智能化作业的基础，其不仅要考虑目标对象和目标路径，还要掌握自身的位置信息，这样才能形成闭环控制。当前用于水下定位导航的系统有多种，如惯性导航系统、重力导航、海底地形导航、地磁场导航、引力导航、陀螺仪和多普勒计程仪等，但是每个系统都有不足，当前最常用的方式还是声学定位与惯性导航的组合。声学定位能实现高精度的绝对定位，但是因为深海远距离传输，需要时间较长；而惯性导航依赖历史定位和自身运动计算得到下一个位置信息的定位方式虽然效率高，却会形成累计定位误差，需要定时校正。两者组合则能得到高精度的定位信息。声学定位系统也分为超短基线（USBL）、短基线（SBL）和长基线（LBL），各个系统的复杂程度不一样，可以根据工程的实际需要进行配置，如表5所示。水下机器人通过声学定位，得到自身和声学定位系统的相对位置，然后与声学定位装置的绝对位置相结合，就可以知道自身在水下的绝对位置。

表5 声学定位系统与惯性导航系统Tab.5 Acoustic positioning systems and inertial navigation systems

在水下机器人具备自主运动和半自主作业能力时，水面控制将是水下机器人作业的重要一环。因此，需要将水下环境和机器人自身的信息反馈到水面，同时需要将人工指令传递到水下遥控设备。此外，多个水下设备之间也需要通过通信联系。当前主要的通信方式有光纤通信、声学通信、无线电和可见光通信等。光纤通信用于实现水下机器人与水面设备之间的大容量、低延时、高可靠通信，其缺点在于需要通信者之间存在实质性的物理连接，限制了机器人的作业范围和机动性能。各水下通信方式的通信距离和带宽如图4所示。其中声学通信是目前水下无线通信的主要方式，具有通信带宽低、可靠性低、抗干扰能力弱等特点，不能用于水下机器人群体。无线电通信对应的带宽比声学通信的高，但由于无线电信号在水下易衰减发散，因此通常无线电通信距离比较短。可见光通信是一种新兴技术，为未来水下设备之间高速、大容量无线通信提供了可能。

图4 4 种水下通信方式对应的带宽与距离的关系Fig.4 The relationship between bandwidth and distance corresponding to four underwater communication methods

深海作业过程具有大量不确定因素，不仅作业环境感知难度大，而且还依赖操作员的技术水平。当前普遍采用机器半自主运动和人工介入相结合控制方式，以提高作业效率。如，自适应的推进器协同矢量分配控制、多类型走行机构的稳定行走控制、自动定高及定深控制、自动航向角控制、路径跟随等。随着自主导航、通信技术和声学成像技术的发展，研究人员正在逐步将先进控制技术和智能化技术应用在深海作业领域。比如，基于视觉伺服的机器人运动控制在水下作业机械臂和遥控机器人的对准定位控制方面的应用，解决了传统机器人远程操作时面临的空间三维坐标感知困难、精细化运动操控困难等问题；基于岸基遥控的远程作业技术，通过将机器人操作人员从母船甲板转移至陆地超远程操控中心，极大地削弱了海况对海底作业的制约，降低了母船运维成本，具有巨大的市场应用价值。此外，自动避障及路径规划技术也在陆续被尝试应用于深海作业机器人领域，以实现水下机器人群和水面母船群的多智能体无人化协同作业。

为实现深海作业的少人化发展和设备的远程运维，其作业过程需要使用机器自主作业与岸基遥控技术相结合的方式。这样，一方面需要进一步提高机器的智能化程度，以解决作业过程的目标识别、动作规划和执行闭环问题；另一方面，需要解决机器与海底通信基站的高速声学通信或者水面浮标与卫星链路的宽频带、小延时实时通信问题，以保障岸基能及时介入水下作业操作。

2.2 高效供能与驱动技术

由于机器人水下长时间工作所需消耗的能量多，而母船或者平台均以柴油发电机为主，为了达到绿色用能的要求，需要水下作业过程实现高效用能；而使用能效的高低直接决定了供电脐带缆的大小，也决定了甲板收放系统及绞车的体积和重量，因此，深海作业机器人的用能效率直接决定了整个系统的大小和船舶的负荷能力。深海作业机器人不仅需要驱动本体行走，同时还需要驱动工具进行作业。当前主流的驱动方式是电液传动［13］，即先通过电机驱动泵，泵再通过控制阀驱动相应的液压马达。这种方式的优点在于驱动系统稳定、成熟，同时能够共用油路实现能量共享；不足之处是液压系统的效率低，从甲板供电到作业输出后的能量利用率只有40%～50%；同时由于液压泵和控制阀是精密金属加工件，系统成本较高，难有降本的空间。

通过电力柔性可控技术可以提高电能传输效率，从甲板到水下设备的能效在80%以上；再加上电动化部件的技术更新和成本下降，整个系统简化后成本竞争优势增强，也满足了绿色无油化发展要求。目前的技术难点是，行业内没有适应深海高压强环境的电力电子器件及应用标准，所用的电动化部件都需要通过反复试验及改装才能实现。目前已经研制成功的电动化部件和整机有：集永磁电机、磁齿轮和变频驱动器于一体的水下三合一推进器，其驱动功率达到30 kW，能效达到93%；将水下高压直流变换为低压直流的DC-DC变流器，能效达到98%；利用低压DC-DC和DC-AC构成的水下直流组网及负载驱动系统，整个系统的能效达到82%，并在直流母线上配置有储能单元，如图5所示。另外，电动机械臂、电动ROV、电驱采矿车也完成了相应的工程化验证，这证明了电动化技术是可以满足全海深的行走驱动、推进及其他电力变换需求的。

图5 深海电动化部件及装备Fig.5 Deep-sea electrified components and equipment

随着海底工厂相关技术的发展，深海作业机器人也会朝着无支持母船的方向发展，这就需要考虑水下充电桩和无线充电相结合的能量补给方式，同时需要解决水下充电过程中的精准对接和大储能问题，如提高储能密度，减小因搭载储能单元而增加的航行阻力。

2.3 系统轻量化集成技术

整个水下机器人要在有限的空间和重量的限制下，配备不同性能的多种传感器和操作工具，同时配备照明、摄像、云台等众多辅助部件，系统集成设计显得十分重要。首先，需要依据水下机器人作业任务， 结合使用条件进行总体布局设计，对其总体结构、流体性能、动力系统、控制与通信方式进行优化，以提高有限空间的利用效率［14］。其次，为了提高水下机器人的负荷能力、续航能力和工作效率，减小运行阻力和成本，不仅要考虑整个水下结构的构型及布局，更需要通过材料和工艺结合实现其轻量化和紧凑化设计，并使各个搭载部件具备受压能力强和自重小的特点。

在轻量化设计上，一方面需要合理搭配使用铝合金、不锈钢、碳钢和钛合金等金属材料，并结合受力分析进行镂空设计，尽量使用碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等新型复合材料替代金属材料，充分发挥复合材料密度小、机械强度大、浮力大、耐腐蚀、运行噪声小和抗生物附着能力强等特性，例如，支撑结构件、行走履带、液压管道采用复合材料。还有就是在浮力材料上需突破玻璃微珠与树脂相结合的工艺配方，在减小材料密度的同时保障其硬度和吸水率，以减小浮力部件的自重。另外，需要摆脱厚重的保护壳体，使分线盒、电机及螺旋桨控制器等部件内部都充满油类介质，通过压力补偿和密封实现内部和外部压力的平衡，整个系统取消承压舱部件。最后，就是采用分布式布局，充分利用重心和浮心约束下的各个空间，兼顾运动过程中的水流通道、作业反作用力等约束，实现最大的载荷量。

未来，随着纳米技术、智能材料和数字制造技术的发展，复合材料的性能将得到进一步提升，也将进一步推动水下机器人的轻量化，从而降低其能量消耗及运营成本，提高移动作业的效率［15］。

3 产业发展挑战及相关建议

建设海洋强国，需要高端装备提供支撑。当前，我国从事深海重型作业机器人研发的企业较少，尚未形成一整套从科学研究、产品制造到应用服务的研发体系，且与国际先进水平存在一定差距，主要体现在制造工艺和关键部件技术两个方面。我国科技成果转化能力和精密专业制造能力薄弱，尤其是在精细化生产制造技术和高标准工艺设备上存在缺失，在目前市场需求量不大的背景下，难以形成专业从事深海重型作业装备制造的产业链，科研院所及高校的研究成果不能及时有效地向应用工程转换，从而导致科研样机数量多过实际工程产品。另外，我国海工装备的基础及关键部件技术还有待提升。虽然我国解决了较多深海重型作业机器人关键部件的有无问题，但是部件的可靠性和功率密度等与国际先进水平还有差距，尤其是在防腐材料、传感器、液压元器件、电动机械手、液压阀等一些高精度、高工艺水平部件的技术上；而且，我国对这些关键部件的研发投入较少，市场驱动力不足，相关制造厂商缺乏对其持续攻关的动力。深海是未来空间、资源和能源竞争的主要方向，海工装备的市场竞争已经从单一客户竞争转为供应链之间的竞争，目前国内由于市场驱动力有限，各相关行业参与的力度不足，需要国家从战略高度牵引打造供应链体系。

针对以上问题，笔者认为我国深海重型作业机器人产业需要从以下两个方面获得发展：一是需要构建产、学、研、用产业协同体系，促进产业标准化建设，即以海洋资源开发实际需求为导向，形成一套以专业制造企业为链长企业，联合用户、上下游企业、科研院所和高校，包括科学研究、产品开发和生产服务的完整社会分工体系，并随着体系建设的深入，实现各子部件的模块化、标准化设计，从而形成相应的行业规范或国家标准，以促进整个深海作业装备的技术性能提升和制造流程简化；二是发挥我国有组织科研的优势，成立特种研究实验室，引导各行各业都来为海工装备研发服务，实现各部件性能的提升，形成产业联盟，降低整个装置的成本，从而提高我国海工装备在国际市场上的竞争力。