國內水下滑翔機器人運動調節機構專利綜述

王天玥，李喆慶，張富立，司雨明

（1.國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津300304；2.天津大學繼續教育學院，天津300072）

水下機器人在各領域均有廣泛應用，在軍事領域，水下機器人由于其智能化程度高、隱身性能好，具有較強的機動能力，可以進行海上和水下偵查；在民用領域，水下機器人可以打撈失事艦船和清理航道。按照艙體內是否載人，水下機器人可分為載人水下機器人和無人水下機器人。載人水下機器人結構復雜，對機器人艙體制造要求較高，并且制造昂貴。在發生事故時，操作人員生命安全難以得到保證。隨著傳感器和通訊控制系統的不斷完善，無人水下機器人因其結構簡單、制造成本低廉，越來越受到青睞。按照與水面母船有無線纜連接，水下機器人又可分為有纜機器人(ROV)和無纜機器人(AUV)。有纜機器人因其受到線纜的控制，作業范圍有限，但其不存在續航能力不足問題。然而，海洋環境是一個多變復雜的系統，雖然無纜機器人作業范圍大、適應能力較強，但因攜帶能源有限，其發展受到了續航能力的制約。

為了提高無纜水下機器人的續航能力和水下操作能力，水下滑翔機器人應運而生。水下滑翔機器人（Autonomous underwater glider，簡稱 AUG）是一種將浮標、潛標技術與傳統水下機器人技術相結合而研制出的一種新型無人水下機器人，它具有無外掛推進系統，能依靠自身浮力驅動沿鋸齒型航跡航行，具有較低的制造成本和維護費，且投放回收方便、能源消耗少、續航能力強等優點，可以用于長時間、大尺度的海洋環境監測、大范圍調查和監測，應用前景十分廣闊[1]。

在航行過程中，水下滑翔機器人以自身浮力作為航行動力，沒有外掛螺旋槳推進，只通過自身浮力調節系統調節載體自身浮力，實現正浮力和負浮力之間的浮力變換，進而提供上浮和下潛的動力，同時，在其自身浮力與滑翔翼的相互作用下，產生持續的水平滑翔速度。此外，水下滑翔機器人重心調節系統通過調整內部的質量分布，改變自身重心與浮心相對位置，產生橫滾力矩和俯仰力矩，實現回轉和俯仰運動[2]。

1989年，美國人Henry Stommel提出了采用一種能夠在水下作滑翔運動的浮標進行海洋環境調查的設想，這就是水下滑翔機器人的最初概念。自1995年以來，美國又陸續研制出了SLOCUM(Battery)、Sea-glider和Spray等多種以二次電池為推進能源的水下滑翔機器人，以及以海洋垂直剖面的溫差能作為驅動能源的Slocum水下滑翔機器人。此外，美國的Prinston大學建造了一個AUG試驗平臺，主要用于AUG的建模和控制方法研究[3]。我國水下滑翔機器人研究起步較晚，但近年來有多家單位開展了大量的研究工作，在水下運動調節機構研究方面也取得了一定進展，2005年，中國科學院沈陽自動化研究所在國內首次提出一種水下滑翔機器人運動調節機構，以其為代表研制的AUG成功進行了湖上試驗，并在2006年通過驗收，具有較高的技術水平[4]。國家海洋技術中心等多所院校也在今年開展了水下滑翔機器人的相關研究，并取得了很大進步。本文主要介紹水下滑翔機器人的特點和關鍵技術，并從專利分析的角度對水下滑翔機器人的專利申請狀況進行分析，得出該領域技術熱點及技術發展脈絡，并展望未來水下滑翔機器人的發展趨勢。

1 國內水下滑翔機器人運動調節機構相關專利的申請情況

在國際專利分類表中，通水下滑翔機器人運動調節機構比較相關的分類號主要包含在大組B63G 8/00（水下艦艇）、小組B63G 8/14（姿態或深度的控制）、B63G 8/22（用水壓艙調節浮力）和B63G 8/24（自動深度調整裝置；用于增大浮力的安全裝置）中。有時也會分到大組B63C11/00（水下居住或作業設備；搜索水下物體的裝置）、小組B63C11/52（其他類目不包含的專門適用于水下作業的工具）和B63C11/48（搜索水下物體的裝置）中。

本文使用中文摘要數據庫作為基本數據來源，以 B63G 8/00、B63G 8/14、B63G 8/22、B63G 8/24、B63C11/00、B63C11/52、B63C11/48 等分類號，以及“滑翔”等關鍵詞進行限定，得到樣本數據。截止到2017年6月23日，檢索到國內關于水下滑翔機器人運動調節機構的專利申請數量達到了209件。

1.1 專利申請量年度分布

將2000年至2016年期間的專利申請量，以一年為統計單位，繪制水下滑翔機器人運動調節機構的專利申請量年的分布情況（參見圖1）。

圖1 專利申請量年的分布情況

由圖1可以看出，從2000～2016年，水下滑翔機器人運動調節機構的國內專利申請量總體上呈逐年增加的趨勢。其中，2000～2005年申請量增長較為緩慢，基本上處于半停滯、半申請的態勢，這與國內對水下機器人需求有關，同時，國內水下機器人工業發展也較為緩慢。2006～2016年申請量迅速增長，隨著我國對深海試驗、南極科考等大規模科研工作的推進，國內各大高校如中科院沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學廣泛開展水下機器人的研究工作，且相關機器人公司在國內也如雨后春筍般發展起來。

1.2 主要申請人統計情況

國內水下滑翔機器人運動調節機構專利申請量排名前九名的申請人見圖2，中國科學院沈陽自動化研究所、浙江大學、天津大學申請量占據了總申請量的前三名。其中，前九名中出現了兩家研究所，七家高校，但是國內主要從事水下機器人研究制造的企業并未出現，這也進一步反映了我國水下滑翔機器人尚處于科研探索和科學研究階段，正在從科研院校逐步走向應用，實際大規模投入到海洋救助和深海探測工作，仍需時日。

圖2 主要申請人統計情況

1.3 主要研究熱點分布

國內水下滑翔機器人運動調節機構主要研究熱點分布圖如圖3所示?？梢钥闯?，水下滑翔機器人運動調節機構的專利申請主要集中具有可直線移動配重的調節機構、具有液囊或氣囊的調節機構、具有可吸排水缸體的調節機構和具有可轉動配重的調節機構上。

圖3 主要研究熱點分布圖

2 國內水下滑翔機器人運動調節機構發展脈絡

下面結合重點專利對具有可直線移動配重的調節機構、具有液囊或氣囊的調節機構、具有吸排水缸體的調節機構和具有可轉動配重的調節機構的水下滑翔機器人進行詳細論述。見圖3.

2.1 具有可直線移動和可轉動配重的調節機構

2006年4月29 日，來自中國科學院沈陽自動化研究所的俞建成等提交了一份申請號為CN200610046471的專利申請，在國內首次記載使用了一種俯仰角調節裝置，其由俯仰調節直線步進電機、俯仰調節電池組和俯仰調節裝置固定架組成。將電池組作為俯仰調節質量塊，并通過直線步進電機驅動電池組沿縱向進行直線運動，來調整所述水下滑行機器人的俯仰角。同時，為了調整所述機器人重心的橫向位置，該專利申請還首次記載了一種橫滾角調節裝置，其通過橫滾直線步進電機橫向移動橫滾質量塊。見圖4.

圖4 水下監測平臺用水下機器人

在運動過程中，電池組或質量塊與安裝架直接接觸，在摩擦力的作用下降低了能源的利用率。為了解決上述問題，2010年12月15日，來自中國船舶重工集團公司第七一○研究所的宋長會等人，通過專利申請CN201020672547提出了一種水下航行器縱傾調節裝置，該裝置的滑塊外殼的底面上安裝滾動軸承，并讓滾動軸承與艙底平鍵接觸。見圖5.

圖5 水下航行器縱傾調節裝置

此外，2011年3月17日，來自哈爾濱工程大學的王玉甲等人，通過專利申請CN201110064976提出了一種水下機器人重心調節裝置，該裝置同時設置有滾珠絲杠和中心軸，中心軸與偏心電池塊之間設置有軸承，同樣降低了所述重心調節裝置內部結構的摩擦力，提高了能源利用率。見圖6.

圖6 水下機器人重心調節裝置

為了進一步節省能源，提高所述機器人的續航能力，來自中國船舶重工集團公司第七○二研究所的徐強等提出了一種移動式深海工作站縱/橫傾自動調節裝置，該裝置設置有一個平衡擺球組件，通過該平衡擺球組件在縱/橫傾時受到的重力來接通不同的接線柱，從而使電機驅動質量塊移動來進行縱/橫傾的調節。該申請的裝置能夠有效地減少電能的消耗。見圖7.

圖7 移動式深海工作站縱/橫傾自動調節裝置

目前應用于水下滑翔機器人的俯仰姿態調節的直線運動機構主要有渦輪蝸桿機構、絲杠螺母機構，此兩種機構傳動效率低，不適合高速傳動，磨損嚴重，成本高，不利于水下滑翔機器人姿態的快速調節。為了解決上述問題，來自天津大學的王樹新等，通過專利申請CN201510862146提出一種水下滑翔機緊湊型姿態調節裝置，該姿態調節裝置主要通過相互嚙合的齒輪及齒輪齒條機構進行傳動，具備結構緊湊、可控性好、可靠性高便于安裝等優點，滿足水下水下滑翔機器人的需求。

2.2 具有液囊或氣囊的調節機構

現有水下滑翔機浮力控制大部分都是采用步進電機來帶動液壓缸中的活塞作往復運動，從而使缸中的油液吸進或排出油囊，受步進電機的功率以及液壓缸的性能條件限制，水下滑翔機的工作深度只有數十米，很難向深海發展。為了解決上述問題，2007年，來自浙江大學的楊燦輝等人通過專利申請CN200610053498提出了一種水下滑翔機浮力控制裝置，其將油囊直接設置在承壓殼體的外部，表面直接接觸海水。當水下滑翔機準備下潛時，小型電磁閥打開，在內外壓差當作用下，油從油囊流回油腔。隨著油腔中的油液不斷增多，活塞逐漸遠離底部，兩個線性電位計的拉線不斷縮短，輸出的電壓信號值不斷減少。當主控計算機測得電壓信號達到指定值時，小型電磁閥關閉。見圖8.

圖8 水下滑翔機浮力控制裝置

為了進一步提高水下滑翔機器人的續航能力，2011年，來自浙江大學的楊燦輝等人通過專利申請CN201110092034提出了一種水下滑翔機浮力調節機構的驅動裝置，除了傳統的油囊設計，該裝置還設置有蓄能器，當滑翔機浮于海面上時，上下起伏的波浪推動尾翼使它沿軸做回轉運動，齒輪副增加轉動力矩，絲杠螺母副把回轉運動轉化為直線運動，推動液壓系統給蓄能器加壓，從而提高水下滑翔機的續航力。見圖9.

圖9 水下滑翔機浮力調節機構的驅動裝置

為了降低水下浮力調節結構的體積，2013年，來自華中科技大學的李寶仁等通過專利申請CN201310 571578提出了一種深?；铏C的浮力調節裝置和方法，其采用模塊化設計，除內部油箱和外部油囊需根據要求體積研制外，其他各個部分元件都為小型化和輕量化，且都集成安裝在支架上，充分利用內部空間結構，壓縮占用體積，從而降低了整個裝置的質量與體積。同時，其液壓元件的連接采用集成閥塊的形式，結構緊湊，在一定程度上節省了空間，進一步縮小了裝置的體積，同時減少了液壓油管的使用，從而提高了連接的可靠性。見圖10.

圖10 深海滑翔機的浮力調節裝置

一般的滑翔式潛水器的水密艙內都包括了浮力調節系統與橫滾調節系統，但是現有的滑翔式潛水器都是將兩者獨立設計的，空間并沒有得到充分的利用。這對滑翔式潛水器的負載能力造成一定的不利影響。為了解決上述問題，2016年，來自哈爾濱工程大學的李曄等通過專利申請CN201610487758提出了一種耦合橫滾調節和浮力調節的滑翔器調節裝置，同時調節滑翔式潛水器自身浮力和重心在橫向上的位置的耦合橫滾調節和浮力調節的滑翔器調節裝置，既能驅動滑翔式潛水器的上浮或下潛，并能控制滑翔式潛水器的的橫滾運動，還能充分利用有效的空間。見圖11.

圖11 耦合橫滾調節和浮力調節的滑翔器調節裝置

2.3 具有吸排水缸體的調節機構

為了解決現有的仿生機器魚存在升潛速度不高、升潛特性差、尾鰭運動參數調整不方便等問題，2008年，來自哈爾濱工業大學的劉軍考等通過專利申請CN200810064324提出了一種具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，其通過缸筒、活塞和絲杠來實現機器魚的吸排水，來改變機器魚所受的浮力和重力，從而實現升潛。見圖12.

圖12 具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚

為了進一步提高升潛范圍，2012年，來自浙江大學的楊燦軍等通過專利申請CN201210362056提出了一種混合型水下航行探測器，其浮力調節系統安裝在主艙的前部，其包括緊固在固定架上的電機、由前活塞缸和后活塞缸對接組成的活塞缸，在前、后活塞缸的對接處固定有滾動膜片。其結構緊湊，并且由于具有兩個活塞缸，能夠提供更大范圍的浮力。見圖13.

圖13 混合型水下航行探測器

為了克服現有浮力調節裝置占用空間大、質量重，測量精度低等缺點，2013年，來自中國科學院沈陽自動化研究所的武國建等通過專利申請CN201310 640091提出了一種用于自治水下航行器的模塊化浮力調節裝置，模塊化浮力調節裝置為液壓系統通過驅動小端活塞桿往復運動，從而帶動大端缸活塞的運動，最終大端缸活塞實現吸排海水，實現重浮力的變化，進而實現自治水下航行器的整體浮力調節。由于采用了模塊化設計，從而使整個系統結構緊湊、占用空間更小。同時，液壓系統在高壓小流量工況下工作，一方面可提高整個液壓系統的效率，另一方面進一步縮小了液壓系統的整體體積。見圖14.

圖14 用于自治水下航行器的模塊化浮力調節裝置

為了實現水下機器人運動姿態調整和定點懸停，2014年，來自中國科學院沈陽自動化研究所的劉鐵軍等通過專利申請CN201410627537提出了一種長期定點垂直剖面觀測型水下機器人，其中液壓缸的小活塞一側通過輸出桿與海水調節缸的大活塞連接，所述海水調節缸上設有與海水連通的出入水口，所述液壓缸與液壓系統連接，所述液壓系統驅動液壓缸的小活塞進行往復運動，并帶動海水調節缸的大活塞往復運動，從而使海水調節缸通過出入水口吸排海水，進而實現水下機器人浮力調節，從而實現水下機器人運動姿態調整和定點懸停。見圖15.

圖15 長期定點垂直剖面觀測型水下機器人

3 總結與展望

通過對水下滑翔機器人運動調節機構專利申請的統計分析，可以看到，2000～2016年，水下滑翔機器人運動調節機構的國內專利申請量大體呈逐年增加的趨勢。2000～2010年申請量增長較為緩慢，基本上處于停滯的態勢。并且近5年來，國內關于具有可直線移動配重的調節機構和具有吸排水缸體的調節機構研究有了放緩的失態，該領域的革命性創新性有所減少。此外，于此形成鮮明對比的是，具有液囊或氣囊的調節機構和具有可轉動配重的調節機構的水下滑翔機器人依然穩定的發展，這與水下滑翔機器人對艙體內空間利用率和續航力的追求有密切的關系。

同時從國內的專利申請中也可以看出，現階段的水下滑翔機器人運動調節機構仍處于結構的簡單拆分和疊加。國內缺乏像專利申請CN201610487758提出的功能相互耦合的調節機構，申請人缺乏對整體運動調節機構的精簡和耦合。從大量的國內外文獻和期刊中也可以看出，國外發展技術成熟，多集中在原理性創新；在國內申請中，申請人多集中在高校和研究所，且多細節上的優化。同時，值得注意的是中國科學院沈陽自動化研究所、浙江大學及天津大學等在該領域內優勢明顯，其他研究所、高校及企業仍舊處于跟隨和模仿階段，鮮有創新。并且，我國國內水下滑翔機器人仍未大量投入到實際生產和應用當中去，導致該領域申請人研究熱情不高，創新能力不足。

隨著水下滑翔機器人運動調節機構的普及，其將擺脫傳統結構的笨重、高能耗的弊病。下一個階段，水下滑翔機器人運動調節機構將朝著小型化、節能化、高效率化的方向發展，對其本身研究，研究方向也主要在以下幾方面：（1）水下滑翔機的續航能力主要由起能源的容量和轉化效能決定，現有能源主要為常規電池、燃料電池以及熱機系統，目前正在對電池進行改進或者尋求其他能源提高航行和待機能力，若能擁有核能供電的微型電源系統，將可以使電池長時間在水下航行，大大提高水下滑翔機的性能；（2）水下滑翔機航程距離遠近對水下通信也有了更高的要求，通信系統的遠近也極大限制了其潛海的航程，通過在深海提高通信距離和通信信號穩定性，發展新型的通信方式，也成為未來通信體系中的重要任務；（3）改進內外部結構以增強運行時的操控性，提升水下滑翔機的水動力特性，通過對機體的外形、升降翼和穩定翼的線型、翼片的位置和材料等，來減少機體的航行阻力，抵消深海對深潛的影響，提高起機動性和可控性[5]，希望越來越多的國內高校、科研院所及高新企業能夠充分意識到未來水下滑翔機器人運動調節機構的發展方向，不再滿足于簡單的模仿和跟隨，加強自主研發和創新能力，同時增強自主知識產權保護意識，在水下機器人領域站在世界科技的最前沿。