基于模块化技术理念下水下机器人的设计与发展

余尔标 陈小荟

【摘  要】水下机器人作为第二代机器人，是仿生机器人的重要分支之一，其作用主要是用来水下勘探、作业以及辅助船只的正常行驶，随着5G通信技术以及智能化的发展，水下机器人的协调性得到了极大的提高。为了扩大水下机器人在商业中的应用以及理论知识的升值化，模块化的设计技术理念开始出现，模块技术的应用将使水下机器人的应用领域扩大，水下机器人的协作性得到提高。

【关键词】模块化技术理念;水下机器人;发展前景

一、水下机器人的设计与应用

水下机器人又称为无人遥控潜水器，从应用的领域以及智能化程度来说有两种使用方法，其一是跟随母船且带有缆绳，船上的工作人员可根据数字化的设备对水下机器人进行远程控制，其二是不依靠母船，可以自行航行和数据的采集。目前，我国可以进行水下机器人设计的单位较多，其中多集中于高校，在我国拥有实质性进展的有哈尔滨工程大学研制的智能水下机器人AUV，中科院沈阳自动化所研制的无人无缆水下机器人UUV，上海交通大学研制的遥控式水下机器人ROV 和中船重工715 所研制的拖曳式水下机器人TUV。

随着科技化的发展，5G通信系统的应用使得水下机器人的远程协作性得到极大的发展，

在未引入5G通信系统之时，如遇深海等恶劣环境下，水下机器人容易和陆地上的电子设备失去联系，届时导致的数据无法实时传输，以及无法定期维修成为了较大的难题，5G通信系统出现之后，水下机器人的远程协作得到了极大的发展，并且可以实现机器人之间的协同作业，提高水下作业的效率。

从生物学角度来说，人类对于生存环境具有一定的要求，对于一些高风险性的工作环境，比如海洋、气象勘探来说，就需要机器人的参与。例如，中科院研究出一种仿生的机器鱼，这种机器鱼依靠尾鳍和波动鳍来进行推进，速度快，且能进行急转弯运动，灵活性高。同时，哈尔滨工程大学曾为水下勘探研究出一种两栖的机器人，这种两栖的仿生机器人外形酷似螃蟹，且可以如同螃蟹一般进行运动，该仿生机器进行了特殊的防水处理，在头部安装了一个摄像头，可以对眼前的场景进行实时拍摄同时依托于5G通信技术，对这些搜集的数据进行实时的传回，从而方便后期的分析与研究。

中兴通讯将在英国伦敦召开的2017年5G全球峰会上，演示过5G以及 VR水下航行器远程控制业务。演示将模拟近海区域海底科考及维修等水下场景，通过VR实时视频传输和远程无线控制，展示水下科考和水下无人作业等5G时代的突破性应用。

二、模块化技术理念的应用

1、功能模块的分类

水下机器人起初用于科学上的研究，但是随着工业的发展，水下机器人逐渐商业化，并且为了符合商业化的运作趋势，逐渐演化出了一种模块化的设计生产理念，所谓的模块化的设计生产理念就是将水下机器人的生产进行分割，基于这种新型的生产方式，模块化生产下各个模块之间形成独立，每个模块均有自己的功能，客户可根据自己的需求进行各个模块的选择，其二，模块化生产具有统一化的生产方式，即生产出来的配件可以供多家使用和配备。其三，模块化的生产可以进行自由的组装，组装后水下机器人可以完成自由化的数据勘测。

所谓的水下控制系统主要是服务于水下机器人的数据读取，由处理器产生控制信号，在进行数据的合理搜集后，再对数据进行分析，从技术要求上，如果水下机器人的需求较高或者水下机器人的负荷率较大，则中央处理器的要求较大。从模块化技术理念的功能上来讲，主要分为通用性以及专用性，所谓的通用性是指为了适应大部分水下机器人的组装以及使用提供的部分常用的模块，比如水下镜头，阀门等模块，这些模块在生产时主要考虑的问题就是广泛的适配性，但是作为适配性的设备其生产的机构主要集中于企业。所谓的专用性就是针对不同的用途而研发出来的水下机器人硬件，生产这些模块的主要集中于科研院所，通过与客户之间的沟通定制出特质的部分，但是专用性的模块并不等于一个完整的水下机器人都需要定制，专用性的模块也是建立于通用性之上。

2、硬件的模块设计

水下机器人的硬件模块主要分为以下几种类型，其一是AI、DI模块，基于这两种模块，主要是对外部信息进行搜集，以用于海底勘探为作用的水下机器人来讲，AI、DI模块通过中央处理器对于控制系统命令的下达对机器人周边的水温、水压、生物族群以及数量进行数据的搜集和监测。其二是AO、DO模块，这些模块又称为上位机模块，这些模块主要控制的是机器人的控制系统例如门阀。

三、基于模块设计理念下水下机器人的发展

1、协同化发展

随着科学技术的发展，水下机器人在机身结构上呈现出微型化，即传感器、控制器，传输装置实现了微型化，在其应用的技术上呈现出不断人性化、智能化的趋势，模块化的生产方式使得水下机器人的协作性得以提高同时在控制系统上，5G通信系统以及相关技术的使用使得水下机器人可以协同作业。

2、产业化、集群化发展

水下机器人由于具有抗压性以及高适应性从生理角度上较之人类更有优越性，所以，模块化的生产有利于水下机器人产业的出现，同时模块化的生产可以对生产流程进行分类，一种水下机器人可以在多个机构进行生产促进其集群化发展。

3、智能化发展

随着模块化生产的专业性增强，中央处理器等控制设备逐渐完善，对于高清的数据收集来说已经并不是难事，未来的水下机器人将依托于VR以及智能化的芯片设计实现数据从手机到分析的一体化，节约科研的成本。

参考文献：

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（作者单位：福州市闽江学院物理与电子信息工程学院）