深水机械手

chenchong26 · 发表于 2010-3-17 22:03

深海ROV及其作业系统综述
X
晏勇1 ,马培荪1 ,王道炎2 ,高雪官1
(1 ,上海交通大学机器人研究所, 上海　200030 ; 　2 ,上海交通大学水下工程研究所, 上海　200030)
摘　要: 介绍了目前世界上主要的深海ROV 及其作业系统配置情况,以便为ROV 作业系统的总体设计提供相
关参考. 然后分别针对水下机械手的研制思路和水下作业工具的研究状况及难点等进行了分析与评述,给出了相
关建议.
关键词: 水下机器人;ROV;作业系统;机械手;作业工具
中图分类号: 　TP24 　　　　文献标识码: 　B
Development of Deep Sea ROV and Its Working System
YAN Yong1 , MA Pei2sun1 , WANGDao2yan2 , GAO Xue2guan1
(1. Research Institute of Robotics , Shanghai Jiaotong University , Shanghai 200030 , China ;
2. Underwater Engineering Research Institute , Shanghai Jiaotong University , Shanghai 200030 , China)
　Abstract : To give a reference for the overall design of ROV(remotely operated vehicles) , typical ROVs and their working sys2
tems in the world are introduced in this paper. For the ROV status and difficulties of subsea manipulators and underwater tools , key
points are discussed and analysed , and trends and suggesti** are given for the future research work.
　Keywords : underwater robot ; ROV; working system; manipulator ; tools
1 　引言( Introduction)
ROV(Remotely Operated Vehicle) 是当前海洋探索
研究最主要的工具之一,作业系统是ROV 的重要组
成部分,它对机械手和作业工具等均提出了较严格
的技术要求.
针对下潜深度大于1000m 的深海ROV ,本文着
重介绍其机械手、作业工具等技术的研究和发展现
状,并对其中的主要问题和关键技术进行了总结,以
便为研究ROV 作业系统的总体设计、机械手选型、作
业工具研制等工作提供研究思路.
2 　深海ROV 及其作业系统( Deep sea ROV
and its working system)
2. 1 　ROV及其作业系统概述
ROV 的设计是一项综合性的复杂工程,技术密
集度高,是公认的高科技,其研制水平体现了一个国
家的综合技术力量. 世界上主要的海洋大国如美国、
俄罗斯、日本、英国和法国等都先后开发了多种型号
的ROV ,用于不同的任务和不同的工作深度,其中比
较领先的是日本和美国[1～3 ] . ROV 作业系统主要包
括机械手及作业工具.
通常,作业型水下机器人的前端都装有两个机
械手,分工合作. 配置方式为:
·右舷机械手为作业型机械手,较为灵活,作业
精度高,自由度相对较多,一般5～7 个,控制系统多
采用主从式电液伺服控制.
·左舷机械手主要作为定位型机械手,较为简
单,但臂力强大,能可靠实施ROV 悬浮作业的定位功
能,并可兼顾部分作业任务,其自由度一般较少,3～5
个即可,控制系统可采用简单的开关控制方式.
根据ROV 作业任务的不同,对作业工具的需求
可粗略地分为两类:一类为完成常规的水下作业任
务,可选配一些较为标准、通用的作业工具. 这些工
具大多都具有标准的接口,可购买也可自行研制. 另
一类为完成一些特定的作业任务,例如各种用途的
样品采集,由于取样对象千差万别、特性各异,所以
大多需要专门研制相应的采样工具及样品盛装器
皿,且需要相关学科的专门知识,因而具有较高的难
度. 但这一点恰好又是ROV 的研究和用途中最有价
值的体现之一[4 ,5 ] .
2. 2 　典型ROV及其作业系统配置简介
在ROV 研究及应用领域内,Kaiko 和Victor 6000
是两台值得关注的典型代表,分别见图1 和图2.
Kaiko 海沟号,是全世界下潜深度最大的ROV ,
可达11000m. Kaiko 由日本海洋科学与技术中心JAM2
STEC 研制并拥有,其生产厂商为EMS. 1995 年3 月,
Kaiko 下潜至马里亚纳海沟的底部,创下了迄今为止
ROV 潜水最深的记录,并首次精确测得海沟底部的
深度为10911. 4m. 但2003 年6 月30 日JAMSTEC 宣
布,Kaiko 已于5 月29 日丢失. Kaiko 是世界上独一无
二的ROV ,其丢失是海洋科学界乃至整个科学技术
领域的重大损失[6 ] .
　　Victor 6000 是法国Ifremer 与德国、英国的相关
机构合作设计制造并共同拥有的ROV ,最大下潜深
度为6000m. 该ROV 从1999 年开始进行了很多科学
考察活动,科学文献中能查获的相关论文较多.Victor
6000 是一台采样功能非常丰富的ROV ,所搭载的作
业工具和采样器值得继续调研. 资料表明:它最初只
配置了一只机械手,即Maestro ,后来根据实际应用的
需要又增加了一只,即Sherpa ,才形成了目前的配
置[7～9 ] .
表1 给出了目前世界上主要海洋调查机构拥有
的ROV 及其基本配置情况,从中可看出深海作业系
统的主要构成方式和要素均比较接近,但具体性能
和工具则各有不同[6～14 ] .
表1 　世界主要海洋调查机构拥有的ROV及其基本配置情况
Table 1 　ROVs Owned by world main ocean exploring institution and their working systems
机构名称
(生产厂家)
ROV 名称
及型号
最大下潜
深度(m) 机械手主要作业工具
日本JAMSTEC
(EMS)
Kaiko 11000 2 个七功能机械手,均为主从式.
5 个摄像机,1 个照相机;海水温度盐分测定
器等.
法国Ifremer Victor 6000 6000
1 个主从式七功能机械手Mae2
stro ,1 个开关式五功能机械手
Sherpa.
3 个摄像机,5 个照相机;可移动采样篮,全
钛取样管,岩心钻取器,海水取样器,动物群
体采样器等.
美国WHOI Jason 2/Medea 6000
2 个七功能机械手:Schilling Ori2
on ,Kraft Predator II.
9 个摄像机,3 个照相机;可选配多种作业工
具包,升降式取样器等.
加拿大海洋科学
研究所( ISE) ROPOS 5000
1 个七功能机械手,Kodiak (Mag2
num) ;1 个五功能机械手.
3 个摄像机;可分隔旋转采样盘,BioBox 生物
容器,可变速抽取式液体采样器等.
美国WHOI Alvin 4500 2 个七功能机械手.
1 个摄像机,1 个照相机;深海沉淀物去芯取
样器,深海海水取样器等.
美国MBARI Tiburon 4000
2 个力反馈型七功能机械手,
Schilling Conan ,Kraft Raptor.
2 个摄像机;可根据任务搭载多种作业工具
包,如锯钻工具及采样工具等.
日本JAMSTEC
(EMS) Dolphin 3K 3300
1 个主从式七功能机械手,1 个
开关式五功能机械手.
3 个摄像机,1 个照相机; 海底地面温度计
等.
日本JAMSTEC
(EMS)
Hyper2Dolphin 3000 2 个七功能机械手,均为主从式. 3 个摄像机;采样工具篮.
美国MBARI
( ISE) Ventana 1850
2 个七功能机械手: Schilling Ti2
tan3 ,ISE Magnum.
3 个摄像机,8 个照相机;锯钻工具等.
　第27 卷第1 期晏勇等: 　深海ROV 及其作业系统综述83
2. 3 　ROV作业系统的构成与选型
通常可根据下潜(作业) 深度对ROV 进行大致分
类,因为这涉及到承受压力和密封等关键技术问题.
在深度小于3000m 的范围内,商用ROV 产品选择面
比较宽[15～18 ] ,容易获得较为理想的性价比搭配;当深
度大于3000m 时,可供选择的商用ROV 产品较少,虽
可定制但价格不菲,此时大多采用的方式是自行制作
或“组装+ 改造”.
(1) 下潜深度1000m～1500m
主要有DSSI 公司(Deep Sea Systems International)
的Max Rover MK21、Mini Max 2000 MK21 ;美国SeaEye
公司的Panther Plus、Puma 、Tiger 、Lynx ;英国Hydrovision
公司的Demon ; 美国Canyon Offshore 公司的Scorpion
等.
例如Panther Plus 的最大下潜深度为1000m ,配置
2 只七功能机械手,可选Hydro2Lek 公司产品;提供4
个视频通道,具备变焦、聚焦功能等. 见图3.
图3 　美国SeaEye 公司的Panther Plus
Fig. 3 　SeaEye Panther Plus , USA
　　(2) 下潜深度2000～2500m
主要有DSSI 公司的Max Rover MK22、Mini Max
2000 MK22 ;Hydrovision 公司Demon、Diablo ;Canyon Off2
shore 公司Triton XL 、Triton XLS 等.
例如Triton XLS 的最大下潜深度为2500m ,配置1
个七功能机械手Schilling Titan3 ;1 个五功能机械手
Schilling RigMaster ;1 个摄像机,1 个照相机;可选配工
具包. 见图4.
　　(3) 下潜深度3000m 左右
主要有DSSI 公司的Max Rover MK23、Mini Max
2000 定制型号;Canyon Offshore 公司Quest 、Triton ST;
Hydrovision 公司Demon、Venom 等.
其中Max Rover 系列各型号之间支持向上升级,
可配置2 个四—七功能机械手,多选择英国Hydro2
Lek 公司产品;可选配各种工具,如锯钻工具、缆索切
割器等;还配有3 个摄像机、1 个照相机. 见图5.
图4 　美国Canyon Offshore 公司的Triton XLS
Fig. 4 　Canyon Offshore Triton XLS , USA
图5 　美国DSSI 公司的Max Rover
Fig. 5 　DSSI Max Rover , USA
　　而Hydrovision Demon 最大下潜深度为3000m ,配
置1 个七功能、1 个五功能机械手,多为Kraft TeleR2
obotics 公司产品;3 个摄像机,并提供5 个彩色或SIT
摄像机接口;为接驳附加的传感器或工具,还提供3
个24V、4 个110V 电源接口. 见图6.
图6 　英国Hydrovision 公司的Demon
Fig. 6 　Hydrovision Demon , UK
　　(4) 下潜深度4000m 以上
由于ROV 设计和使用的特殊性,各公司均可针
对用户要求提供定制服务,例如DSSI 公司Max Rover
可定制4000m 或6000m 两种,而Mini Max 2000 也有
6000m 一种.
2. 4 　深海ROV 作业系统的构筑
如前节所述,ROV 通常都提供1～2 个机械手,其
自由度的数目通常为3～7 个,具体配置与工作性质
及需求密切相关;而作业工具方面,除了机械手可以
装配的通用工具以外,考虑到ROV 的观测和采样功
能,大多都提供一些基本的摄像、视频通道.
在构筑ROV 项目时,目前大多数研究机构均已
逐渐由自制转向集成的形式,即着重进行ROV 总体
功能和性能的规划,然后购买合适的ROV 框架、部件
或者直接向相关公司定制整机,而将更多的精力集中
到研制适合自身用途的相关工具上去.
在深海ROV 作业系统的研发过程中,一般首先
根据下潜深度的要求设计或选择合适的ROV 本体
(框架) ;然后根据水下作业的目的和性质、要求等,确
定机械手的自由度数目和控制方式,进而再设计或选
择具体的作业和采样工具等.
3 　深海ROV机械手的选型( Selection of deep
sea ROV manipulators)
3. 1 　ROV机械手概述
水下机械手的分类通常有两种方法:第一种是按
照操作方式,分为主从式和开关式. 另一种是从控制
的角度,分为速度控制型、位置控制型以及力反馈型.
主从式机械手基本上就是指位置控制型机械手,
采用位置—位置型伺服系统,主动手的瞬时动作被从
动手完全复映,以实现主动手与从动手的位姿空间保
持对应关系的目标.
开关式机械手也就是速度控制型机械手,它通过
开关的方式来控制机械手的起停和运动方向,开关启
动后即以一种可控的固定速度进行运动.
力反馈型机械手是指机械手运动构件的作用力
可以被反馈到操作者,形成力感并应用于进一步的控
制当中. 由于水下环境特别是深海作业时能见度差,
以力感来补充视觉反馈信息对于执行各类分散的作
业是必要的而且高效的. 作为一种方法,力反馈可以
应用在位控型机械手上,也可以应用在速控型机械手
上.
速控型机械手较位控型结构简单,价格低廉,容
易操作和维修,所以得到了相对较为广泛的应用. 但
水下作业的日趋复杂使得位控型机械手的应用也越
来越广,它能有效节省操作时间. 而同时带有位置控
制及力反馈的机械手,其作业的执行将会更准确, 效
率也更高.
一般而言, 位控力反馈型机械手的价格较之同
样规格的普通速控型要贵4～7 倍, 没有力反馈的位
控型机械手的价格则介于上述二者之间.
3. 2 　ROV机械手的特殊性
与ROV 本体一样,ROV 机械手也首先需要考虑
作业深度的问题. 其次需选择驱动源,目前有全电力
驱动、电液混合驱动、全液压驱动3 种方式. 液压驱动
的优点是功率大、体积小、结构紧凑、操纵灵活,可在
一定范围内进行组合以提高其灵活性. 由于电力驱动
的弱点在于对密封性的要求非常高,因此目前仍是液
压驱动的应用最广.
ROV 机械手还要求重量轻、装载体积小、运动范
围大,并具有很强的抗腐蚀能力. 这使得在材料选择、
机构与结构设计、表面工艺等方面都具有与普通机械
手不同的要求.
3. 3 　典型ROV机械手介绍
典型的七功能ROV 机械手均具有6 自由度+ 手
爪的结构,自由度配置方式和顺序大多比较类似,为
6R1P ,所不同的主要在于各关节运动角度的范围大
小.
商用ROV 机械手产品中较为常见的有美国
Schilling 公司的Orion、Conan、Titan3 以及Rigmaster ;加
拿大ISE 公司Magnum 3～7F ; 美国WS&M 公司The
Arm 66 及MK37 Arm; 英国Hydro2Lek 公司的HLK2
MA4、MB4、EH4、EH5、HD5、HD6/ 6B/ 6R、CRA6 等; 美
国Kraft 公司的Grips、Predator II 和Raptor 等. 表2 给
出了4 个典型型号的特性参数比较.
(1) Orion 7P :这是一种紧凑而灵巧的七功能位
控型机械手,由于重量轻,非常适合在对运载体积有
要求的水下机器人上使用;功能丰富,宜用作ROV 右
手以完成绝大部分海底作业;操作简单,性能可靠,零
部件通用性强,维护方便. 如图7 所示[19 ] .
(2) Magnum 7F :可以是主从式也可以是开关式,
还可加上力反馈控制方法,这就使得用户能根据不同
的应用要求来进行选择. 该机械手可以完成的功能非
常丰富,且强劲有力,接插件设计使其能抵抗非常强
的冲击力,整个手臂的装载空间也很小.

chenchong26 · 发表于 2010-3-17 22:04

新手报到，网速慢上载不了，只有粘上了

chenchong26 · 发表于 2010-3-17 22:05

表2 　四款典型商用ROV机械手特性参数比较
Table 2 　Characteristic parameters of four typical commercial ROV manipulators
公司名称
Schilling Robotics Systems ,
Inc.
International
Submarine Engr.
Western Space
and Marine , Inc.
Hydro2Lek ,
Ltd.
产品型号Orion 7P Magnum 7F The Arm 66 HLK2HD6
设计水深3000m 1250m 1800m 2100m
工作范围1. 8m 1. 5m 1. 7m 1. 0m
空气中重量107kg 71kg 145kg 28kg
水中重量73kg ——— 97kg 22kg
最大负载能力250kg 295kg 45. 5kg 30kg
腕部最大力矩170Nm 190Nm 163Nm 38Nm
手爪张开距离152mm(6in) 75mm(3in) 127mm(5in) 154mm(6in)
最大抓力/ 扭矩453kg 150kg 150kg 14Nm
绕基座摆动120° 50° 180° 120°
肩部俯仰120° 90° 120° 110°
肘部俯仰120° 130° 180° 110°
腕部俯仰120° 115° 100° 90°
腕部摆动120° 120° 115° 90°
腕部旋转360° 360° 200° 360°
液压源要求
3000psi , 1. 5 - 5GPM,
10 - 200cSt
1250psi , 10LPM,
25 micron abs.
3000psi , 2GPM,
5 - 25 micron abs.
210bar , 18LPM
电源要求
50/ 60Hz ,
90～260VAC
——— 24VDC , 25A
50/ 60Hz ,
220～240/ 415VAC
报价价格＄99 ,750 ＄70 ,000～250 ,000 ＄280 ,000 + ———
　　图7 　美国Schilling 公司的Orion
Fig. 7 　Schilling Orion , USA
　　(3) The Arm 66 :它采用了力反馈方法,能提供非
常良好的灵巧性、速度及负载能力, 在美国Navy
DSV23 深潜器前4 年的零服务纪录验证了其可靠性.
全面的压力补偿方案使其轻松适应1800m 的深海作
业,更大的深度也可通过对一些特殊环节进行除气
及预负载补偿来实现. 如图9 所示[21 ] .
图8 　加拿大ISE 公司的Magnum
Fig. 8 　ISE Magnum , Canada
　　(4) HLK2HD6 :是强有力的六功能机械手,可以
承受较重的工作负荷,适用于新兴的较小型及中型
工作级ROV. 该机械手支持两种不同的装载方式,可
用作ROV 右手或左手. 目前在MAX Rover 和Panther
等ROV 上均有应用. 如图10 所示[22 ] .
(5) 此外值得关注的还有美国Kraft TeleRobotics
公司的两款ROV 机械手

redator II 以及Raptor. 前者

chenchong26 · 发表于 2010-3-17 22:06

最大伸展距离可达2m ,最大举力90kg ,价格仅＄119 ,
000 ,因此是在要求宽作业范围和大负载能力时的首
选;其灵活性也非常高,腕部俯仰和摆动角度可达
200°,力矩为136Nm. 而Raptor 结构更为紧凑,灵活
性高,功能也很强,还可承受较重负载, 是作业级
ROV 机械手的理想选择. 两款机械手均专为深潜器
设计,内置了控制阀,无需另外配备,有效减小了对
装载容积的要求[23 ] , 如图11 所示.
图9 　美国WS&M公司的The Arm 66
Fig. 9 　WS&M The Arm 66 , USA
图10 　英国Hydro2Lek 公司的HLK2HD6
Fig. 10 　Hydro2Lek HLK2HD6 , UK
3. 4 　ROV机械手的设计与选型
在ROV 机械手设计和选型中,应着重考虑如下
几方面的因素:
ò 最大工作范围:根据作业目的并结合装载体积
的尺寸限制来进行综合考虑;
ò 运动的灵活性:包括自由度数目、关节结构形
式、各关节运动范围等;
ò 负载能力:这包括整个手臂承受的载荷能力以
及手腕、手爪的负载能力;
ò 控制方式:根据作业要求并结合价格因素,考
虑位控型或速控型,并决定是否需要采用力反馈控
制.
图11 　美国Kraft 公司的Predator II 和Raptor
Fig. 11 　Kraft Predator II and Raptor , USA
4 　水下作业工具及其接**术( Underwater
tools and its interface)
4. 1 　常用水下作业工具
随着海底打捞及勘探技术的发展,单一功能的
水下机械手及作业机具已远不能满足人们的要求
了. 为提高作业能力及作业水平,要求机械手能够搭
配多种作业机具乃至自行更换,这就需要ROV 带有
包含多种作业机具的工具包和一只带有自动对接腕
的作业机械手.
水下作业工具分为通用水下工具和专用水下工
具两种[24 ] :
通用水下工具是指适应多种作业任务的水下工
具,一般指的是机械手手爪. 作为一些专用水下工具
及采样器具的安装基座,机械手的运用扩展了水下
作业系统的工作空间.
专用水下工具主要用于完成一些特定的水下作
业,可用来扩大水下机械手的作业能力和效率. 常见
的专用水下作业工具大致有:清洗刷、砂轮锯、冲击
钻、剪切器、夹持器、冲击搬手、冲洗枪等,分类情况
见表3. 这些工具的研制越来越注重具有标准的尺寸
和接口.
4. 2 　水下作业工具与接**术的特殊要求
目前水下作业工具大多都采用液压系统作为其
动力驱动源,水下机械手与水下工具共同使用一个
液压源和控制装置. 水下机械手与作业工具之间的
接**术,除了在几何尺寸、夹持位置等机械参数上
需要相互匹配之外,还应提供液压油路对接的通道,
这又在密封和承压等问题上提出了较为特殊的要

chenchong26 · 发表于 2010-3-17 22:06

求.
表3 　常用专用水下作业工具的分类
Table 3 　Classification of special underwater tools
运动方式动力形式工具名称用途
旋转型
摆线马达清洗刷水下结构物清洗
高速马达砂轮锯水下切割和打磨
低速马达水下钻具钻眼、攻丝
直线型直线油缸
剪切器钢缆切割
夹持器沉物打捞
冲击型
冲击油缸和马达
破碎锤岩石破碎
冲击扳手螺栓拧紧和松开
往复油缸和马达冲洗枪沉积物清除
　　作业工具自动更换方面仍处于实验室研究阶
段,在更换作业工具时既要实现机械手手腕与工具
之间的机械连接定位,又要完成工具与手腕间的油
路对接,通过手腕为作业工具提供所需的液压动力.
油路自封接头是液压自动对接腕的重要组成部分,
它连接着手腕与工具间的油路,负责油路的导通与
关闭. 目前常见的油路导通方式有两种:机械式自封
接头靠机械方式导通油路,压差式自封接头则靠油
压差开启油路[25 ] .
5 　研究现状分析与建议( Status analysis and
suggesti**)
深海作业和取样型ROV 是当前海洋探索领域
内的主要热点之一,其作业系统主要包括机械手与
作业工具. 国内相关研究机构在研制中需着重关注
如下两方面的问题:
(1) 机械手的选型与配置方面,一般配备两个机
械手,可外购也可以自制. 国外的产品比较成熟,可
选范围大,但在应用和改进上可能有一定的局限性,
且成本较高;自行研制可使得功能与应用紧密结合,
且具有易于改进、成本较低等优点,但需要较高的技
术储备和一定的研制周期. 针对我国的实际情况,建
议采用如下的方式来进行:
ò 在时间紧、经费较充足的情况下:可采用全外
购的方式,配置一只七功能机械手,一只五—六功能
机械手. 此方式具有操作性能好、研制周期短的特
点.
ò 在时间较为宽松或经费比较紧张的情况下:建
议右舷外购一只六—七功能主从式或速控型机械
手;左舷自制一只四—五功能机械手. 此方式价格适
中,性能可以较好地满足应用需求,且比较易于在后
续的研发中进一步扩充和升级.
(2) 水下作业工具的选型与研制方面,可分为两
种情况:
ò 一般的作业工具可以购买成熟产品,性能稳
定,接口符合标准要求,能满足大多数作业的需求;
ò 比较特殊的作业和采样工具等应当自行研制,
只要接口遵照所选用机械手的尺寸和接口标准的要
求,是完全可以加载和使用的.
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chenchong26 · 发表于 2010-3-17 22:07

终于发完一篇文章

yuzhoufeichuan · 发表于 2010-3-17 22:19

DLZ一个。

iamldx123 · 发表于 2010-9-8 16:57

给了很大帮助
谁了解710所的ROV是多少HP的啊？

tdotech · 发表于 2011-4-22 08:36

楼主文章很好，收下了。