水下机器人研究现状与探索

水下机器人研究现状与探索水下机器人研究现状与探索《大学计算机基础》课程报告论文名称：水下机器人研究现状与探索二零一七年一月论文名称：水下机器人研究现状与探索目录摘 要 2关键词 2引言(Introduction) 3水下机器人分类(Thecategoriesofunderwaterrobot) 4遥控式水下机器(remotelyoperatedvehicles,4自主水下机器(Autonomousunderwatervehicles,52.3.............................................................................错误未定义书签。水下仿生机器人underwater7水下仿生机器人主要研究和发展趋势(The 7mainresearchanddevelopmenttrendsof 7bionicunderwater7水下仿生机器人的问(TheProblemsofbionicunderwaterrobot) 8驱动以及推进方式 9仿生创新思路 11以乌贼为代表的海洋动物结构及运动方式 11复合式水下仿生机器人 12群体水下仿生机器人 135结论 13参考文献： 14水下机器人研究现状与探索摘 要:本文总结了水下机器人的研究历史，现状与目前的发展趋势，具体分析了现代水下机器人应用的技术，指出他们的优缺点，并且针对未来的深海探索机器人的材料，结构，移动方式，动力来源，仿造乌贼等海洋软体动物提出设想，实际应用前景广阔。随着科学技术的发展,水下仿生机器人在智能材料制成的驱动装置、游动机理方面会不断地完善,在个体的智能化和群体的协作方面也会有很大的发展。关键词:水下机器人；深海探索；仿生；PRESENTSTATEANDFUTUREDEVELOPMENTOFUNMANNEDUNDERWATERVEHICLETECHNOLOGYRESEARCHZHUYuxuanAbstract:Inthispaper,thehistory,presentsituationandfutureofUnmannedunderwatervehicletechnologyaresummarized.WealsofurtherdescribethemobilerobottechnologiesconcerningUnmannedunderwatervehicle.Inaddition,pointoutthetheadvantagesanddisadvantagesofthesetechnologies.Andtheexplorationoftherobotwhichusedtoexplorethedeepseainthefutureofmaterial,structure,movementway,thepowersource,putsforwardtheideaimitatingVampireSquid.Broadpracticalapplicationprospectscanbeexpected.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,bionicunderwaterrobotwillbeimprovedindrivingsystemmade-upbysmartmaterialsandlocomotiontheoriesgradually,individualintelligenceandteamcooperation.Keywords:Unmannedunderwatervehicle；theexplorationofdeepsea;Bionic引言Introduction)世界海洋机器人世界海洋机器人(unmannedmarinevehicles,UMV)发展的历史大约60年，经历了从载人到无人，从遥控到自主的主要阶段。加拿大国际潜水器工程公司历了从载人到无人，从遥控到自主的主要阶段。加拿大国际潜水器工程公司(ISE)总裁麦克总裁麦克·43个阶段称为革命革命(revolution)20603人潜水器为标志；第二次7080年代，以自主水下机器人的发展和水面机器人代，以自主水下机器人的发展和水面机器人(USV)的出现为标志。现在则是混合型海洋机器人的时代。型海洋机器人的时代。水下机器人(Unmannedunderwatervehicle,UUV)是一种可在水下移动、具有[2]就当前水下仿生机展，才能在生产生活中发挥更为重要的作用。[3]水下机器人分类 ( The categories ofunderwaterrobot)(remotely(remotelyoperatedvehicles,ROV)和自主水下机器人(autonomousunderwatervehicles,vehicles,AUV)2,3类机器人的主要差异在于操作模式，ROV则是可经过编程航行至一个或多个航点，自带电能，不用缆线。美军在多个航点，自带电能，不用缆线。美军在2014年搜寻马航客机残骸出动的“金枪鱼枪鱼”就属于AUV。但是这两种类型的无人潜航器（UUV）同样都会涉及到包括仿生、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、通讯、能源系统括仿生、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、通讯、能源系统2011年的日本海啸后，就有“海獭”水下机器人用于近海石油调查、通信线路检查、军事应用以及深海探测打捞等。海石油调查、通信线路检查、军事应用以及深海探测打捞等。遥控式水下机器人(remotelyoperatedvehicles,ROV）ROVROVROVROVROV的总体决策能力要高于AUVAUV。ROV的致命缺陷就是自身的生命线脐带缆，在短程操作中问题不大，但ROV的动力也是一个很大的挑战。1200220081000m40%左右，这是由于绝大多数海洋资源在近海，近海水下生产活动多，需求量最大；中等潜深26%7000m31%。图1 ROV按深度的数量分布（%）Fig.QuantitativedistributionofROVbydepth(%)注：图中深色为2002年数据，浅色为2008年数据，纵坐标为数量/总量的百分比，横坐标×1000m为深度。根据[4]数据绘制自主水下机器人(Autonomousunderwatervehicles,AUV）AUV涉及流体力学、水声学、光学、通信、导航、自动控制、计算机科学、传感器技术、仿生学等众多领域的高新技术，成为当代科技最新成果的结晶。AUVCPU的能源完全依靠自身提供，往往自身携带5CPUAUV所能从事工作的复杂程度。AUV在实际的水下作业中无需人工干预，它们可以自主地航行在难于接近成为完成各种水下任务的有力工具，例如，在海洋工程领域，2英国的“AUTOSUB”6水下仿生机器人（bionic underwaterrobot）图4：水下仿生机器人发展历程Themainresearchanddevelopmenttrendsofbionicunderwaterrobot）仿生机器鱼(bio-mimeticrobotfish)material)MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义（如上图）BCF推进模型，研究人员大部分鱼类的推进方式分为身体尾鳍and/orcaudal推进模式和中间鳍对鳍（medianand/orpairedfin，MPF）推进模式两种。其中，采用7BCF模式游动的鱼类，主要通过身体的波动和尾鳍的摆动产生推进力，其瞬时MPF模式的鱼类，主要依靠2010年新加坡南洋理工大学研制的“RoMan-II”仿生蝠鲼试验样机（5），6个柔性鳍条，通过鳍条的拍动产生推进力，可实现各个方向的机动性，该样机可完成0.5m/s[5]。图5 图62011（55.30.4cm/s水下仿生机器人的问题(TheProblemsofbionicunderwaterrobot)（如表一）第三，现代仿8表一：各种机器人特性比较[6]驱动以及推进方式刚性机体结合简单形变柔性胸鳍，对仿生原型的机体结构，尤其是胸鳍的结构，进行了大量的简化。仅保留其摆动运动特征，而忽略其复杂的构型，实现功2004IMAE所开发，这也是首台能够实现7所示，其胸鳍采0.65m，展宽0.5m，质量0.64kg，利用尾部的1.5m0.5h，防0.6m/s。[7]9图7首台胸鳍摆动推进仿生鱼典型样机为由日本大阪大学SUZUMORI等[8][9]浇筑制作的MantaRobot9200520070.15m0.17m0.1m/s，能够实现非常类似于蝠鲼的胸鳍摆动运动。该样机驱动源外置，且没有负载空间，不利于自主控制和远距离航行。功能仿生为主。(2)刚性机构。现有采用胸鳍摆动推进模式仿生鱼样机(3)传统驱动器。除个别采用记忆合金或者气动人工(4)108MantaRobot样机传统的电机驱动方式存在一些缺点：如重量大,反应不敏捷等,使水下仿生机器人的发展和应用受到了很大限制于是,许多国家开展了新型智能驱动材料的研究,如:利用形状记忆合金(Shapememoryalloy，SMA)、电流驱动聚合物(Electroactive、压电陶瓷等智能材料进行驱动，并研究了身体波动推进、胸鳍波动推进等游动方式。由于EAP技术尚不成熟，利用EAP驱动的仿生胸鳍波动推进器输出力较小，而且尝试较多的离子交换膜金属复合材料(Ionicexchangepolymermetalcomposites，IPMC)需要保持湿润，姿态保持较难，限制了其应用。电流驱动聚合物(ElectroActivePolymers, 简称EAP)是人工肌肉的一种,由导电高分子材料集束在一起制成的像肌肉一样的复合体,通过电流激活高分子材料中的离子或电子,使之完成伸缩、折曲的动作,控制电流强弱可调整离子或电子的多少,从而改变其伸缩性。低能耗、无噪声、高弹性、轻质量的优点使其成为制造新型仿生水机器人驱动装置的智能材料。仿生创新思路以乌贼为代表的海洋动物结构及运动方式11生机器人上，将使其更加高效、灵活和耐压。生机器人上，将使其更加高效、灵活和耐压。[10]复合式水下仿生机器人部件上一直难以找到合适的替代材料，因此难以做到全柔性结构。此前，也有部件上一直难以找到合适的替代材料，因此难以做到全柔性结构。此前，也有MIT100该机器鱼在水下的持续运动时间仅为几分钟。该机器鱼在水下的持续运动时间仅为几分钟。,的神经系统也可以仿照这种结构研制。群体水下仿生机器人像蚂蚁这类群居昆虫，虽然没有视觉，却能找到由蚁巢到食物源的最短路像蚂蚁这类群居昆虫，虽然没有视觉，却能找到由蚁巢到食物源的最短路径径，原因是什么呢?虽然单个蚂蚁的行为极其简单,但由这样的单个简单的个体所组成的蚁群群体却表现出极其复杂的行为所组成的蚁群群体却表现出极其复杂的行为,能够完成复杂的任务,不仅如此,蚂蚁还能够适应环境的变化蚂蚁还能够适应环境的变化,如:在蚁群运动路线上突然出现障碍物时,蚂蚁能够很快地重新找到最优路径够很快地重新找到最优路径 ,蚁群是如何完成这些复杂任务的呢?所有这些问题题,很早就激起了生物学家和仿生学家的强烈兴趣,仿生学家经过大量细致观察研究发现,蚂蚁个体之间是通过一种称之为外激素(pheromone)的物质进行信息传递传递,从而能相互协作,完成复杂的任务.蚁群之所以表现出复杂有序的行为,个体之间的信息交流与相互协作起着重要的作用。体之间的信息交流与相互协作起着重要的作用。[11],游动动作很简单,但作为一个群体,,单个水下仿生机器人的活动范围和能力也是非常有限的。但是水下仿生机器人将在复杂环境下执行水下作业、海洋监测、海洋生物观察等艰巨的任务。因此,具有高机动性、高灵活性、高效率、高协作性的群体水下仿生机器人系统将是未来发展的趋势。结论(Conclusion研究还处在起步阶段。水下仿生机器人涉及到材料科学、化学、微机电、液压、研究还处在起步阶段。水下仿生机器人涉及到材料科学、化学、微机电、液压、控制等多学科，从材料、设计、加工、传感到控制、使用均存在着一系列问题需控制等多学科，从材料、设计、加工、传感到控制、使用均存在着一系列问题需料？如何提高能量利用率，找到更加合适的驱动方式？这些问题都亟待我们解料？如何提高能量利用率，找到更加合适的驱动方式？这些问题都亟待我们解决。水下机器人作为一种装备归于高端制造业决。水下机器人作为一种装备归于高端制造业,属于国家支持的战略新兴产业范畴畴,具有战略制高点的作用。总的来说，海洋空间不适合人类的生存，大规模开推动和实现海洋装备无人化具有深远的战略意义。推动和实现海洋装备无人化具有深远的战略意义。参考文献：McFarlaneJR.Tetheredanduntetheredvehicles:Thefutureisinthepast.MarTechnolSocJ,2009,43:9–12WANGZhenlongHANGGuanrong.SwimmingMechanismofSquidandItsApplicationtoBiomimeticUnderwaterRobots[M]JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.44No.13Jul.2008WANGGuobiaoCHENDianshengCHENKeweiZHANGZiqiangetal.TheCurrent Research Status and Development Strategy on Biomimetic Robot[M]JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.51No.13Jul.2015DAllen.R. Remotelyoperatedvehiclesoftheworld,8thEdition[M].UK;OilfieldPublications,2008CHENZ,UMTI,BART-SMITHH.Ionicpolymer-metalcompositeenabledroboticmantaray[C]//ProceedingsofSPIE–TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,March28,2011,Bellingham.USA:SPIE,2011:1-12.CAOYujunSHANGJianzhongLIANGKeshanFANDapengMADongxiTANGLi,ReviewofSoft-bodiedRobots[M]JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.48No.3Feb.2012ZHONGal.Betterenduranceandloadcapacity：AnunderwatervehicleinspiredbyMantaray[C]//The4thInternationalSymposiumonAeroAquaBio-Mechanisms,Aug.29-Sep.Hotel，Shanghai，China.Japan：ABMECH，2009.SUZUMORIal.Abendingpneumaticrubberactuatorrealizingsoft-bodiedmantaswimmingrobot[C]//2007IEEEInternationalConferenceonRoboticsandNewYork：IEEE，2007：4975-4980.ANDOK.Elasticpectoralfinactuatorsforbiomimeticunderwatervehicles[C]//ProceedingsoftheSixteenthInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference，May28-JuneFrancisco，California，USA.Cupertino，California：ISOPE，2006：260-270.WANGZhenlongHANGGuanrongLIJianWANGYangwei.ShapeMemoryAlloyWireActuatedFlexibleBiomimeticFinforQuietUnderwaterPropulsion[M]JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.45No.2Feb. 2009DianYang,MohitS.Verma,Ju-HeeSo,BobakMosadegh,ChristophKeplinger,BenjaminLee,FatemehKhashai,EltonLossner,ZhigangSuo,GeorgeM.Whitesides.BucklingPneumaticLinearActuatorsInspiredbyMuscle.AdvancedMaterialsTechnologies,2016;DOI:10.1002/admt.201600055部分大直径人工挖孔桩水下混凝土浇筑施工专项方案一、编制依据本方案以工程施工图纸及以下规范标准为依据编制1、《混凝土结构工程施工及验收规范》2、《混凝土强度检验评定标准》3、《混凝土拌合用水标准》4、《建筑地基基础设计规范》5、《水工混凝土施工规范》二、工程概况粤电信息交流管理中心位于广州天河东2号粤电广场北侧，东面为民居住宅楼，北面为写字楼，西面为市政大路；本工程为地下5层，地上32层框架-核心筒结构，总建筑面积，建筑高度为本工程±0.000m8.900m。本工程基坑开挖设计20.5m，70m，61m；地下室拟采用逆作法，基层围护采用地下连续墙（混凝土强度等级为C35，地下连续墙兼作地下室外墙的一部分。本工程采用人工挖孔灌注桩，大部分桩台面标高-19.85m；孔深由负一层地面起计约24m，3～10m；人工挖孔桩共计68frp15MPa。68条基桩全部采用人工挖孔成孔，桩基开挖时正处于雨水多发季节，当桩基挖至设计要求时，由于下雨、基坑渗漏及地下水上涌，孔桩内普通有4-6m38#39#66#人工挖孔桩成孔后桩孔内积水深度达14m以上，其成桩施工质量的优劣直接关系到整个工程的质量，因此我们选用科学合理的施工工艺，拟采用C35水下混凝土浇筑方式施工。本次拟采用水下混凝土浇筑的38#3000mm，32m，16m，地下涌水水面至孔底深16m；39#1800mm，3000mm，从负一层基28m，12m，14m；66#人工挖孔4000mm，扩大头直径分别5000mm，从负一层基坑面起计成孔深度分别33m，13m，16m；三、施工准备1、现场场地布置本次水下混凝土浇筑量较大，浇筑面广，为保证浇筑质量，4m桩径的66#桩准备采用31.4m1m66#桩同容积的料斗浇筑水下混凝土，届时吊车、搅拌车等施工车辆将直接驶入基坑进行作业。2、机械设备安排序号机械设备名称数量机械状况1汽车泵1良好2拖泵1良好2混凝土搅拌车10良好3塔吊1良好4汽车吊1良好5挖机1良好6料斗+导管3良好3、劳动力安排序号工种数量备注1泵车操作工22起重设备司机33搅拌车司机104砼工85杂工46施工管理人员5四、混凝土原材料及外加剂所有的原材料经检查，全部应符合配合比通知单所提出的要求。1、水泥P.042.5R。水泥应有出厂合格证及进场试验报告。2、砂砂采用西江河砂，砂的粒径及产地应符合混凝土配合比设计报告的要求，砂中含泥量为0.9%，细度模数为2.6。砂应有试验报告单。3、碎石碎石采用博罗龙溪镇赤的花岗岩，碎石的粒径、级配及产地应符合混凝土配合比设计报告的要求，碎石采用花岗岩碎石，碎石规格为5-25mm，其中针、片状颗粒含量为5%；碎石含泥量（小于0.8mm的尘屑、淤泥和粘土的总含量）为0.3%。石子应有试块报告单。4、水采用自来水。5、混合材II所用混凝土外加剂的品种、生产厂家及牌号应符合配合比设计报告的要求。外加剂应有出厂质量证明书及使用说明，并应有有关指标的进场试验报告。外加剂必须有掺量试验。五、混凝土配合比设计报告拟采用C35水下混凝土，其配合比（水泥：水：混合材：砂：石）为1：0.50：0.26：2.16：3.03，含砂率41.6%，质量密度2365kg/m3。混凝土坍落度控制在200±30mm范围内。本配合比的室温初凝时间为8-10h，终凝时间为10-12h。六、施工工艺流程（一）混凝土的拌制1、拌制混凝土配料时，各种衡器应保持准确。对骨料的含水率应经常进行检测，雨水施工应增加测定次数，据以调整骨料和水的用量。配料数量的允许偏差（以质量计）见表允许偏差（%）材料类别允许偏差（%）材料类别预制场或集中搅拌站拌制水泥、混合材料±1粗、细骨料±2水、外加剂±1放入拌和机内的第一盘混凝土材料应含有适量的水泥、砂和水，以覆盖拌和筒的内壁而不降低拌合物所需的含浆量。每一工作班正式称量前，应对计量设备进行重点校核。计量器具应定期检定，经大修、中修或迁移至新的地点后，也进行鉴定。2、经常检查混凝土拌合物的均匀性。混凝土拌合物应拌和均匀，颜色一致，不得有离析和泌水现象。（GB9142）的规定进行。1/41/3①混凝土中砂浆密度两次测值的相对误差不应大于0.8%。②单位体积混凝土中粗骨料含量两次测值的相对误差不应大于5%。3、混凝土搅拌完毕后，应按下列要求检测混凝土拌合物的各项性能：15min根据需要还应检测混凝土拌合物的其他质量指标并应符合本章的其他规定。（二）混凝土的运输1、混凝土的运输能力应适应混凝土凝结速度和浇筑速度的需要，本工程中采用混凝土搅拌运输车运输。运输时间不宜超过下表的规定。气温（℃）设施运输（min）气温（℃）设施运输（min）20～3060303045注：、表列时间系指从加水搅拌至入模时间。2、运输已拌成的混凝土时，途中应以2～4r/min的慢速进行搅动，混凝土的装载量约为搅拌筒几何容量的2/3。3、混凝土运至浇筑地点后发生离析、严重泌水或坍落度不符合要求时，应进行第二次搅拌。二次搅拌时不得任意加水，确有必要时，可同时加水和水泥以保持其原水灰比不变。如二次搅拌仍不符合要求，则不得使用。（三）混凝土的浇筑人工挖孔桩桩底沉渣采用人工清除，清渣厚度符合要求，并经监理工程师同意后即开始浇筑水下混凝土。水下混凝土浇筑采用导管法进行，导管内径为250mm；水下混凝土由搅拌站集中拌制，混凝土运输车运送至施工现场，溜槽浇筑。66#挖孔桩桩身直径较大，为保证首批浇筑混凝土能完全封底，并将导管埋入混凝土面3导管法浇筑水下混凝土a、装第一斗混凝土；b、排走导管内水或泥浆；c、混凝土向上推进1、隔水塞；2、导管；3、接头；4、混凝土1、浇筑准备：A、在清孔的同时，对各类设备进行检查，备足原材料；同时配备水泵、空压机及高压射水管等设备，以保证孔内水头和及时处理浇筑故障。B20