科技创新与应用
2018年14期
Technology Innovation and Application
技术创新
水下作业型机械手的关键技术及发展趋势研究*
雷歌
(三亚学院，海南三亚572022)
摘要:水下机械手可以协助水下HOV、ROV、AUV完成海洋中的勘察、钻探、搬运等工作，为探索海洋，开发海洋提供支持。文章 主要通过介绍国内外典型水下机械手的实例，分析了水下机械手的发展现状和关键技术，并对未来水下作业机械手发展趋势做出展 望。
关键词：水下机械手；水下作业；关键技术;发展趋势中图分类号:TH136
文献识别码:A
文章编号= 2095-2945(2018)14-0129-03
Abstract: Underwater manipulator can assist underwater HOV, ROV, AUV to complete the exploration, drilling, transportation and other work in the ocean, and provide support for exploring and developing the ocean. This paper mainly introduces the examples of typical underwater manipulator at home and abroad, analyzes the development status and key technology of underwater manipulator, and makes a prospect on the development trend of underwater manipulator in the future.
Keywords: underwater manipulator; underwater operation; key technology; development trend
引言
海底资源的探索、发掘与开采都离不开水下作业工 具，随着国际竞争日趋从陆地过渡到深海，海洋已逐渐成 为世界各国利益争夺的主要战场，各种水下作业工具应运 而生[1]。水下作业工具的主要功能“作业功能”的实现离不 开水下机械手的配合。而搭载着各种专业水下机械手的水 下机器人可以完成例如采样，捕捉，挖掘等工作。本文通过 介绍国内外典型水下机械手的实例，对水下机械手的发展 现状和关键技术进行分析，并对未来水下作业机械手发展 趋势做出展望。
1水下机械手发展现状
美国在上世纪60年代首先研制出深海载人潜水器 “阿尔文”号，开创了人类探测海洋资源的历史。它在海洋 4500米的深度中可以进行科学考察，尤其针对海底的资源， 例如矿流，可采取非常精准的取样。它的水下作业系统是由 美国N0SC公司主持研制的WSP机械手，此水下机械手的 综合水平在现在来说都是比较成功和具有典型性的。它设 计为三只机械手，其中两只机械手主要实现抓握功能，另一 只机械手设计为灵巧的作业机械手。此航行器作业时可直 接在水下自动更换工具而不需要返回水面[2]。
19年，日本制造出了名为“深海6500”的深海载人潜 水器，此水下作业装置的下潜深度可以达到水深6500米。 工作人员可以利用它装载的水下机械手配合其携带的可旋 转采样篮进行取样作业^。图1为“深海6500”载人潜水器搭 载的水下作业机械手。
我国的水下作业工具起步虽然比较晚，但是发展迅速， 从最初的用于海洋观察为主的功能已渐渐过渡到水下作业
图1 “深海6500”搭载的水下作业机械手
功能。2012年，我国自主研制的“蚊龙”号在马里亚纳海沟开 展7000米级载人深潜试验。在一次下潜时抵达7062米深 度，打破了世界上同类作业型航行器下潜的最大深度。“蚊 龙”号潜水器上配置的三大专用作业工具，包括沉积物取样 器、热液取样器和钴结壳取芯器以及一套功能强、机动性好 的机械手。图2为“蚊龙”号的机械手在深海海底插国旗。随 着我国“蚊龙”号的成功下潜，我国的水下航行器取得了举 世瞩目的成就，经过不断的更新和完善，我国的水下作业 工具已逐渐赶上发达国家的步伐。蚊龙号的水下机械手大 大缩短了我国与国际间在水下作业方面的差距。
2关键技术研究
随着海洋航行器技术的不断发展，其搭载的水下作业 工具日趋先进，可以完成相当复杂的水下任务。可以实现水
*基金项目：海南省自然科学基金(编号= 617180)
作者简介：雷歌(1987-)，女，助教，研究方向：机械设备结构设计及性能研究。
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图2 “蛟龙”号的机械手在深海海底插国旗
下考查任务、水下石油的开采、海底管道铺设和维修、海洋
抢险救援、海洋工程建设等任务，对水下机械手提出了不同 的要求。
2.1计算机技术的应用
随着计算机技术及仿真软件的发展，虚拟样机技术和 流体计算技术在机械本体设计、选材以及预试验方面起到 越来越重要的作用。虚拟样机技术通过在计算机上建立机 械产品的三维实体模型和力学模型，可以检查设计产品各部 件的干涉情况和运动情况，从而为物理样机的设计和制造提 供依据[4]。
应用虚拟样机技术，设计人员可直接利用软件所提供的 各零件的几何信息，在软件上创建各部件的几何模型。对各 部件进行虚拟装配，建立各部件间的约束关系，从而获得机 械系统的物理模型，这样就可以在不同虚拟环境中模拟零部 件的运动，得到在各种工作情况下零部件的运动和受力情 况。这样就可以应用计算机软件校正设计缺陷，并通过对比 不同试验条件下的受力情况，优化设计方案，改进物理模 型。
流体计算软件为水下实验提供了一个虚拟计算平台。 应用流体计算技术可以进行对物理模型而言难以进行或根 本无法进行的试验，可以仿真计算水下机械手在不同水深 下，不同流速下的运动和受力情况。为后续实验和材料选择 提供了重要参考。
2.2多传感融合技术
水下机械手对外界环境和水下目标的感知主要依靠各 种传感器。对外界环境信息例如水下流速信息，温度信息， 受力信息的采集主要依靠流速计，测温计和各种压力传感 器等。而对水下目标的感知主要依靠声呐设备，因为在水下 传递信息不同于水上，水上通信主要采用电磁波，而海水对 电磁波的吸收很大，所以水下通信主要依靠声波。为满足多 种作业需要，一般需要配备多种专业传感器，以获得环境 的各种信息，来满足探测和采集等的需要[5]。而怎样把多个 传感器采集的信息进行整合应用，消除信息间的冗余和矛 盾，降低不确定性，形成对所在环境完整统一的感知，对提 高水下机械手正确反应、决策和规划具有至关重要的意义。
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2.3运动控制技术
水下机械手的工作环境复杂，工作任务多样，对水下机 械手的运动控制和作业规划是其完成作业任务的基本前提 和保障。水下机械手所在的环境水动力系数不确定、运动惯 性相对较大，且受到海浪、湍流等随机干扰，所以对水下机 械手进行精确控制是不容易的。因为机械手的力学模型具 有复杂的强耦合性和非线性的特点，所以，良好的建模方 法、控制算法成为水下机械手研究的关键技术。
3未来发展趋势
当下，水下机械手要想达到自主作业，实现更多更强的 功能，就必须在人工智能领域、自动控制技术、传感器融合 技术等方面进行突破。
3.1高度智能化
因为海洋这一工作环境的特殊性，水下机械手的作业 难度提高了很多。促使开发操作灵活、反应迅速、感知外界 变化能力强、自动化程度高、自适应能力强的水下机械手迫 在眉睫。
未来的水下机械手应该设计为具有模块化功能，每完 成一项任务就可以自动更换机械手，来继续下一项任务。那 么每个机械手都应具备专业的局部自治能力以及专项的信 息获取和的信息处理方法气根据功能和位置合理配置 传感器，采用信息融合技术为控制策略提供科学的依据。基 于任务的水下机械手还可根据任务自动更换作业工具，高 度智能化的水下机械手必然是未来的发展趋势。
3.2挑战全海深
探测更深的海底，不但可以为深海科研提供服务，还可 以为潜水器本身续航和大功率工作提供帮助。例如，在海底 布放电缆可以为潜水器或其他水下装置提供充电支持。为 了打破国外的垄断地位，我国打算自己研制万米级机械手， 目前，全新一代的机械手已经完成测试。我们知道，在水中 每增加10米就相当于一个大气压，要在一万米深的海底就 相当于1000个大气压，这对于机械手材料的耐压性提出了 相当高的要求。并且在深海要实现正常工作，控制电路部分 的密封性必须高度可靠。全海深水下机械手的设计必然是 今后发展的趋势之一。
3.3精细化程度高
我国自己研制万米级机械手最初研制出来有一个缺点 就是手抖，科研人员在控制系统猛下功夫，这个机械手里的 两个核心部分，一是肘摆的关节，另一个是腕转的关节。
在千米级至万米级的深海中，水下机械手首先要耐得 住压力，还要进行精密操作，这些要求给科研人员带来了新 的挑战。常规的液压油在海底将变得粘稠，导致机械手运动 缓慢且精度不高，科研人员要避免使用这些常规的液压油， 采用一种全新的液压油以及通路，让机械手能够在海 底流畅操作，自由活动。当然，精细化程度的提高还有依赖 与其他控制技术、防抖技术、装配技术等的整体升级。
4结束语
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选的系统网络结构。
3电力自动化变压器检修系统构建
本文中电力自动化变压器检修系统的构建分为以下 几个步骤：
3.1数据准备
变压器检修数据必须经过一系列处理方能够形成有 用的信息，而此种处理涵盖了数据抽取、数据清洗、数据转 换、数据加载[3]。通常情况下检修人员需要对变压器运行所 产生的数据信息进行分析以明确具体的故障类型以及结 构问题，随后从数据库中筛选出与之相关的重要数据，通 过联机实时分析、数据挖掘技术对其进行处理即可以得到 完整的、便于检修工作开展的信息。然而，由于变压器故障 类型多样，既有油箱内部的故障，又有邮箱外部的故障，并 且其异常运行方式同样具有多样性特征，诸如:过负荷、过 激磁、温度过高、冷却器全停等，往往需要予以对应的处置 措施，使用的数据信息必须要确保能够满足检修工作需 求，所以尚需要预先将数据信息转化为便于进一步挖掘处 理的形式以备不时之需。
3.2数据模型
检修人员明确变压器的具体故障类型以及结构问题 后通过系统对数据信息进行处理即可以形成知识模型。在 该模型之中包含有海量的数据信息，位于客户端时需要使 用Visual Basic编程语言进行处理，位于服务器端的数据 则以结构化查询语言（Structured Query Language,SQL)语 言予以处理[4]。基于结构化查询语言服务的数据库即可以 自动将与变压器检修有关的数据进行聚焦处理，形成实体 化的数据表格。将基础数据依据维的形式予以处理后即可 以形成维数据结构，如此一来检修人员便可以在进修工作 中快速、灵活的进行数据的处理，使得查询的数据能够与 故障类型保持一致，为后续的处理措施提供可靠的科学依 据。
3.3 系统模型
电力系统负责某一个地区的电能供给，变电站在运行 时产生的数据能够被整个电力系统实时在线监测。变压器 作为变电站不可或缺的组成部分，其数据监测更是成为重 中之重，所建立的系统模型亦围绕此方面而开展。具体可 以分为细节数据联机实时分析数据库、综合数据库、客户 端三个部分，前者负责存储整个系统中相关的原始数据进
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行筛选处理后形成的有用数据，综合数据库是对所有细节 数据的存储，后者则是检修人员的操作工具。
3.4系统数据分析
电力自动化变压器检修系统形成的细节性数据往往 存储于维修数据库之中，但是在实际应用中检修人员更倾 向于可以直接利用的有用数据，而并非从维修数据库中检 索和查询，以此来缩短决策时间，提高检修效率。此外，从 多个视角多变压器运行状态有关的数据进行分析无疑能 够为变压器故障更好的解决提供帮助。故此采用Mi
crosoft SQL Server 2012 平台的联机实时分析和 Javascript pivot table直接与服务器端通信，以便于提供能够直接访
问的借口，并基于前端的数据源、阶段、命令、行组对象启 动数据透视表服务，顺利开展相应的检修操作[5]。
4结束语
综上所述，联机实时分析、数据挖掘技术为电力自动 化变压器检修系统主要的应用技术，浏览器/服务器模式的 应用一方面能够提高整个系统的安全性及稳定性，另一方 面可大幅降低电力自动化变压器检修系统的搭建成本，方 便检修人员的操作，故此成为电力自动化变压器检修系统 必选的系统网络结构。在具体构建过程中分为了数据准 备
、数据模型、系统模型、系统数据分析4个部分，对于变
压器在线监测和检修工作而言具有重要意义。
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开发与创新,2012,25(3)25-29.
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本文主要介绍了水下机械手的发展现状和关键技术， 并对未来水下作业机械手发展趋势做出展望。未来水下机 械手将会扩展其作业范围、提高自动化程度以及高精细化 领域取得进展，在海洋资源开发利用、大洋勘探、海洋救助、 水下工程等领域发挥更大的作用。
参考文献：
[1]王璇，刘涛，高波.水下机械手的研发现状及发展趋势[J].机电产品
科学技术大学,2009.
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