水下仿生机器人-作业臂系统及其自主水下作业研究 特殊作业机器人制造的关键突破

随着海洋资源开发、水下设施维护和国防安全需求的不断增长，水下作业机器人在特殊作业机器人制造领域占据着日益重要的地位。传统水下机器人多为框架式或鱼雷型结构，存在机动性差、作业能力单一、对环境扰动大等问题。北京航空航天大学王硕教授团队围绕“水下仿生机器人-作业臂系统及其自主水下作业”开展系统性研究，将仿生推进技术与精密作业臂设计相结合，为特殊作业机器人制造提供了创新思路和技术路径。

一、水下仿生机器人平台设计

研究团队借鉴鱼类和海洋哺乳动物的高效游动机制，设计了基于仿生波动推进的水下机器人平台。该平台采用多关节柔性尾鳍结构，通过行波式摆动产生推力，具有低速高机动、转弯半径小、对水体环境扰动低的优势。相比传统螺旋桨推进，仿生推进方式在狭小空间和复杂流场中表现出更强的适应性，特别适合近海底、礁区及水下结构物附近的精细作业任务。平台搭载多传感器融合导航系统，包括惯性测量单元、深度计、DVL及视觉系统，为自主作业提供稳定的定位与感知基础。

二、水下作业臂系统集成设计

作业臂是水下机器人执行精细操作的核心执行机构。针对仿生平台载体轻质、柔性运动的特点，团队设计了轻量化多自由度水下作业臂系统，采用模块化关节设计与密封驱动方案，兼顾作业精度与抗流干扰能力。作业臂臂体采用流线型外形设计，降低游动过程中的流体阻力；关节驱动采用伺服电机配合谐波减速器，内置角度编码器和力矩传感器，实现位置与力觉的闭环控制。末端执行器可快速更换夹具、切割工具和检测探头，适应抓取、采样、切割、递送等多种作业模式。团队研究了机器人本体运动与作业臂操作的耦合动力学问题，建立了“游动-悬停-作业”多模态运动控制框架，有效抑制了仿生推进过程中周期性波动对作业臂末端精度的影响。

三、自主水下作业关键技术

实现自主水下作业面临感知、规划与控制三重挑战。研究团队在以下方面取得进展：其一，基于视觉与声呐融合的水下目标检测与位姿估计方法，针对水下图像退化问题引入图像增强与域自适应技术，提升目标识别鲁棒性；其二，提出考虑洋流扰动和载体运动约束的作业臂自主作业规划方法，将作业任务分解为接近、对准、操作三个阶段，结合力-位混合控制实现接触式作业的柔顺性；其三，构建水下机器人-作业臂系统的整体运动控制架构，采用模型预测控制与自适应滑模控制相结合的策略，处理水下非线性流体动力和模型不确定性。团队还搭建了水池实验平台和湖试系统，验证了系统在自主巡航、目标接近、水下抓取与样品采集等典型任务中的可行性。

四、面向特殊作业机器人制造的应用价值

该研究的工程意义在于将仿生机器人技术与作业臂系统进行一体化设计，突破了传统水下作业机器人“平台与作业工具割裂”的局限，形成了可用于水下结构检测、管线维护、样本采集、应急救援等场景的特殊作业机器人原型。在制造层面，研究涉及轻量化结构件加工、水下密封关节精密装配、嵌入式控制系统集成等关键工艺，为特殊作业机器人的小批量定制化制造提供了技术积累。面向随着水下作业任务向更深水域、更复杂环境和更高自主性方向发展，仿生机器人-作业臂系统将在智能感知、多臂协同和岛礁环境作业等方面持续演进，推动我国特殊作业机器人制造能力向高端化、智能化迈进。