通过应用场景初探“仿生水下机器人”与“传统水下机器人”的不同

2018年6月13日，2018年亚洲消费电子展（简称：亚洲CES）在上海开幕，这是亚洲最大的消费电子展会之一，也是亚洲CES连续第四年落户上海，今年的展会为期三天，将展示最新的人工智能、VR、AI、汽车科技、智能家居的产品和解决方案。博雅工道ROBOSEA（创始人为北大工学院博士）携带仿生蝠鲼和仿生鲨鱼（ROBO-SHARK）参展，展示了有别于传统水下机器人的智能仿生深海潜航器。

▲ROBOSEA的仿生鲨鱼

关于仿生鲨鱼

ROBO-SHARK是一款航行速度高达10节，兼低噪音，体长2.1米的仿生鲨鱼。ROBO-SHARK采用三关节仿生尾鳍作为唯一动力源，可以降低设备功耗，适合长时间水中游弋。具有长续航、低噪音的优势，适合用于长时间的水下巡游、水下追踪等任务。

▲很酷！控制仿生鲨鱼的电脑座舱

详解智能仿鲨鱼深海潜航器

ROBO-SHARK定位为高航速、大载荷、低噪音的远洋仿生水下机器人平台，可应用于港口航道声光磁信息采集、快速机动突破水下探测防卫系统等实际场景。

潜航器采用鲨鱼为原型，以三关节仿生尾鳍取代传统螺旋桨推进器，推进效率高达80%，最高航速可达8~10节，优于其它潜水器2节左右的平均水平。

设备外壳采用多孔吸声材料制成，配合薄膜震动型吸声结构，有效降低了设备的运行噪声，可以提高设备的隐蔽性。

通过重力舱吸排水实现设备的上浮下潜，控制更为灵活，具有定点悬停、定深巡游等多种智能运动功能，最大下潜深度可达1000 m。

根据应用场景和使用需求，可用于水下快速机动突破、高速追踪等任务。可完成海洋勘探，包括海洋科考、水质监测、地貌测绘等；水下作业，包括海底管道检测、水下打捞、大坝巡检等。除高精度GPS、深度计、九轴姿态传感器以及远距离射频通信等标准模块外，还可搭载超短基线定位、水声通讯等设备。

▲智能仿鲨鱼深海潜航器样机

主要性能参数：

1. 物理尺寸：长：2.2m、高：1.0m，质量：60kg

2. 续航能力：6-8小时（尾鳍推进）

3. 巡游速度：4节；瞬时速度：8节

4. 负载能力：0-30kg

5. 抗压深度：300-1000m

6. 通信方式：水面大功率射频通信1-3km、北斗通信，水下水声通信3.5km；

7. 定位方式：水面GPS+北斗定位、水下导向惯性导航、USBL定位（作用距离3.5km，斜距定位精度0.01m）；

8. 数据采集：720P高清摄像模组，20Hz~150kHz宽频水听器、侧扫声纳（作用距离150m）；

9. 避障系统：前置避障声纳（作用距离35m），防触底高度计（作用距离100m）。

关于仿生蝠鲼

ROBO-MOBULA以蝠鲼为仿生原型，翼展3米，续航时间长达360天。ROBO-MOBULA由两侧胸鳍的节律运动产生推力，配合双矢量泵喷推进装置可实现多种复杂运动，产品可借力洋流滑翔推进。

▲为什么“仿生蝠鲼”设计而非“传统水下机器人”的模样？

通过应用案例看“仿生水下机器人”不同与"传统水下机器人"的特点 ：

（一）水下安防应用场景

水下安防是一个极为特殊的应用场景，港口、核电站进水口等敏感水域需要时刻提防水下机动目标抵近。

传统水下机器人：

采用线缆控制，运动范围受限；传统螺旋桨推进方式不仅易被水草沙石缠绕，同时巨大的运行噪声极易暴露自身位置；智能化程度不高，需要技术人员实时观察并操作机器人应对不同情况。

仿生鲨鱼潜航器：

采用无线控制，运动半径不受线缆限制；仿生三关节尾鳍推进方式噪音小，几乎不干扰水体环境，仿生外形具有极好的生物欺骗性；前置摄像模组结合图像识别算法，可识别特定目标并实现自动预警功能，具有极高的自主性。另外，配合博雅工道独家研发的“人造侧线系统”，通过微型传感器阵列对周围环境进行动态感知，可实现自动避障、水下导航等功能。该技术有望在未来打破多普勒流速计、惯导等设备在水下导航领域的装备垄断。

（二）水下工程检修

(示意图来自网络）

据新华社报道，中国航天科工集团研制的蛇形水下机器人可“下海”为海底油气管道做检测，并已通过国内海上油田的实际检测，性能达到国际先进水平。这款蛇形机器人利用油气压力可在管道内部穿梭，通过高精度漏磁检测技术，可以捕获并存储管道内外壁的腐蚀、缺陷信息，实现对缺陷点的准确识别、精确定位。同时，依靠大容量数据采集、匹配处理技术，可短时间内获取数据，为管道出具一份数据全面的“体检报告”。

此前，国内并没有此类产品，中国海底油气管道检测服务被国外高度垄断，存在价格高、报告数据不全面等问题，还存在能源信息隐患，“35所的该款应用于8英寸管道的蛇形机器人则打破了国外垄断，从核心技术到产品实现，均为中国造”。

（三）水下测绘

(示意图来自网络）

挪威科技大学(NTNU)的控股公司Eelume已经生产出相当成熟可用于水下探测和调查工作的蛇形机器人原型，这种蛇形 机器人采用仿生设计，运动模式可以在水下获得相当高的机动性，而且其小巧仿生的造型也不会吸引太多水生动物的注意。这种机器人一旦潜入海底，即可长时间在海底和狭窄的空间执行人类难以执行的探测及调查工作，完成各种任务。

（四）污染监测

如何测试水质？来自于EPFL的研究人员和其他研究机构，就打造了这样一个类似于鳗鱼一样的机器人。

装配了不同传感器的机器人，可以通过远程控制或者自动移动，研究人员在日内瓦湖的一小片区域对它进行了测试，研究人员让机器人在受污染的区域游泳。该机器人成功地绘制出了导电率的变化图，并生成了一个温度图。他们最终的目标是让机器人能够探测到像汞或其他污染物那样的重金属。

这部机器人装配了化学、物理以及生物传感器，它能测量周围近 1.5 米的区域。机器人就像鳗鱼一样，在水里游动，它不会搅动泥土，也不会扰乱水生生物。它的传感器可以在水中不同的位置对水质进行测量，然后准确的将数据发送给计算机。

使用这个机器人有很多优势，它能发送实时的数据，而且与传统的通过螺旋桨驱动的水下机器人相比，它在移动的时候也不会困在海藻或者其他水生生物中。

信息来源：博雅工道Robosea原创

参考文献：新华社 国产蛇形机器人今年“下海”检测海底油气管道；网络等

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