新型海洋探索者——海洋机器人

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  编辑：马宇丹 来源：浙江大学报 时间：2018年05月31日 访问次数:2574源地址

  21世纪，海洋再度变成全球关注的焦点，十八大报告首提“海洋强国战略”，引发新一轮“海洋热”，发展海洋产业成为新一轮产业革命的重要内容。无疑，海洋机器人的研发和应用将助力海洋产业的发展并增加人们对海洋的认识。

  2015年底，浙江大学海洋学院海洋机器人研究所正式组建，以开发先进的海洋机器人为主线，同时又兼顾别的工业领域的机器人研发。研究所的宋伟老师是一名在求是园度过本科到博士时光，并在博士后出站后留校任教的“浙大土著”，他笑称自己从事的海洋机器人研发是“下海”，而与他一起“下海”的还有团队研发的“作业型爬壁机器人”“新概念浮力引擎”和“水下柔性操作手”。

  据了解，“作业型爬壁机器人”的研发最初是为实现用机器人代替人工，完成大型船舶去除废旧油漆和铁锈工作。

  大型船舶常年在海上航行，受到海水的腐蚀，需要不定时进行船舶除锈和油漆保养。这时候就需要船舶靠岸，停进船坞，再将船坞的水放出，之后由技术工人给船舶除掉旧漆和刷上新漆。

  “目前的除漆方式不仅耗费时间长，而且需要支付高额的船坞使用费和人工费。此外，现有许多操作工人的年龄都在40岁以上，已极少有年轻人愿意接替这份辛苦的工作，因此机器人替代人工是未来发展的必然趋势。”“我们的爬壁机器人就像壁虎一样，依靠磁性材料吸附在钢板上进行作业，未来，我们还计划将它投入到水中作业，这样船舶就不需要用船坞而停靠在港口时即可作业，以此来降低维护成本。”宋伟老师介绍。

  爬壁机器人有哪些实际应用呢？据宋伟介绍，它的应用场景范围十分普遍，不但可以完成大型船舶、海上石油平台、大型石油储罐等金属结构物的表面清除和维护，还能够应用到桥梁、大坝等非金属结构物的巡检和检测。“我认为，爬壁机器人将会是我们团队最快进入工业化生产的一类机器人，目前第三代和第四代样机正在研发中，预计年底就能实现小批量生产和销售。

  未来海洋的开发和探索将会慢慢的深入，能否研发一款操作手可以无限延长并灵活运转的机器人？针对这样的一个问题，宋伟带领团队研发了蛇形水下机械手。

  蛇形水下机械手的手臂由多个关节组成，通过绳索控制每个关节的摆角幅度，从而让机器人像蛇的身体一样在狭小的空间实现灵巧地移动，同时利用特殊的浮力驱动系统来提高末端的负载能力。“人的手臂具有7个自由度，难以实现在狭小、多重障碍的空间里工作，而蛇形机械手能够最终靠安装多个关节增加自由度。例如，如果我们装10个关节，就能轻松实现20个自由度。牵动的绳索经过控制每个关节的摆角来控制机械手姿态，使得机械手能够应用于狭小深腔的地方，比如在水下完成结构较为复杂设备的安装和维检。”

  据宋伟介绍，由于驱动系统不在机械手的本体上，在水下工作时不需要像传统的机械手一样密封，机器人本身的重量得到减轻，消耗的能量也随之减少。同时，通过调控浮力与重力相互作用，能轻松实现多种作业模式。“在理论上，这种手臂可以无限延长并灵活运行，对于深海的探索与水下设备的维护来说，它是十分有用的作业工具。”

  水中物体都要受到浮力的作用，利用好浮力能节约水下机器人的运动能耗，也能作为水下机器人的推进动力。出于水下特殊工况的需要，宋伟和团队放弃了传统电机驱动浮力引擎的研究，投身于研发仿生浮力引擎。

  团队的创意来自于潜深两千多米的哺乳动物——抹香鲸，抹香鲸的头部贮藏着大量的蜡状物，经过控制蜡状物的温度能实现固态与液态的转变，从而缩小或增大蜡状物体积，产生的浮力变化能帮助鲸鱼实现下潜或上浮。“仿生浮力引擎就是基于这个原理，利用纳米技术、温度控制技术、流体控制技术来实现石蜡的固液两相变化，以实现水中浮力调节。目前石蜡的相变速度还未达到预期要求，所以我们还在一直在改进。”

  对“上九天揽月，下五洋捉鳖”梦想的追求，推动着航天与海洋事业的持续不断的发展。如今海洋机器人更新换代，出现新的面貌，实现新的功能，在深海资源利用和对海洋生命的探索等方面提供了极大的帮助。