多体海洋机器人作为一个很有发展前景的研究领域，受到了民用和军用领域的高度重视。来自中国科学院沈阳自动化研究所机器人国家重点实验室的研究者从单元间的连接结构出发，综述了典型单体海洋机器人的类型、特点和水动力特性。此外，还对多体海洋机器人的发展趋势进行了分析和讨论。研究成果刊载于Q1区期刊IEEEAccess。
多体海洋机器人是由多个单体海洋机器人（定义为一个单元）组成的多体系统。该系统具有欠驱动、超冗余、功率分配、模块化等特点。与传统的单体船用机器人相比，多体船用机器人能够承载更大的载荷，具有更多的运动形式，能够满足更为特殊的功能要求。，由于其独特的结构和运动形式，其水动力特性也更加复杂。
多体观测AUV（水下机器人简称AUV）、装备水下机器人的海洋机器人、海洋蛇形机器人、机器鱼等是多体海洋机器人的典型代表。根据其拓扑结构进行分类可以区分其形状差异，但不能有效区分内部单元之间的交互特性。为了更好地反映单元间相互作用形式的差异，分析流体力学特性的差异，本文根据单元间的连接结构，将多体海洋机器人分为刚性连接、联合连接和电缆连接机器人，如图1所示。
图1根据单元间的连接结构对多体海洋机器人进行分类
01
刚性连接多体海洋机器人
在刚性连接的多体海洋机器人中，各单元之间不存在相对运动。这种连接结构旨在增加稳定性和机动性或满足特定的功能要求，如着陆、对接、扩展等。
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增加稳定性和机动性的观察型AUV
SeaBED和ABE多体观测AUV是典型的代表，旨在提高稳定性和机动性，如图2所示。它们由几个由刚性结构连接的单体AUV组成，这些单体AUV被放置在上部或下部。上部装置提供正浮力，下部装置提供负浮力。这种配置提高了机器人的整体导航稳定性，使其能够在崎岖的海面上更好地执行任务。
图2多体观测AUV具有更高的稳定性和机动性。
2004年开发的SeaBEDAUV由两个平行配置的单体AUV组成，如图2a所示，主要用于高分辨率测深制图。控制系统和某些电子设备位于上部单元内，提供了很大的正浮力。电池和传感器在较低的单元内，该单元具有较大的负浮力。
SeaBEDAUV长约2米，高1.5米，在空气中重约200公斤。其最大运行深度为2000m，速度为1.5m/s，载能能力为2kWh，10h。它的推进系统由4个螺旋桨组成。最大向前推进、垂直推进和侧向推进分别为100n、50n和50n。它还配备了1200千赫的导航ADCP、300千赫的侧扫声纳、675千赫的机械扫描铅笔束声纳、具有高动态范围的12位摄像系统和海鸟CTD传感器。
ABE水下机器人采用三体开放式结构，进行复杂的海底地形测量和资源勘探，如图2b所示。其最大工作深度、航程、续航能力和巡航速度分别为4500米、30公里、240.6米/秒。
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特殊功能要求的观察型AUV
为满足登陆、停靠等功能的特殊要求，研制了一些刚性连接的多体观测AUV。VBS登陆型多体AUV是由Zhang等人为长期海洋测量任务而研制的。VBS由一个中心体和两个压载舱组成，两个压载舱刚性连接，如图3a所示。压载舱用于着陆和坐底。压载舱的浮力通过注水和弃水来调节。VBS水下机器人长约3米，直径0.33米，在空气中重195公斤。其最大作业深度、速度、120米、4节、50公里和3个月。
双体AUVAlister18Twin/A18-TD由法国ECA集团于2010年开发，如图3b所示。它采用平行结构，主要用于平台上的稳定定位，以便于水下对接。它长约4.7米，宽1.8米，在空气中重1.2吨。其最大作业深度、速度、载能能力和耐久性分别为3000米、6节、2224。两个推进装置的配置也增加了它的机动性。
图3用于特殊功能要求的多体观测AUV
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用于研究动态特性或提高功能可扩展性AUV
除了上述机器人外，研究人员还开发了一些刚性连接的多体海洋机器人，用于研究动态特性或提高功能可扩展性。
Nielsen等人开发了一种简单的可重构水下机器人，用于研究多体水下机器人的动力学特性，如图4a所示，它采用了两个球形单体AUV通过596mm长的金属杆连接的配置。
费雷拉等人于2012年开发了一种名为TriMARES的三体水下机器人，如图4b所示。机体和螺旋桨配置是对水下机器人可执行的典型操作（如站位保持、悬停、侧向或正面扫描）进行仔细切割的结果。这种配置有更多的空间来装备扩展模块，以提高功能的可扩展性。
图4多体AUV用于研究动态特性或提高功能可扩展性
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水动力特性
多刚体海洋机器人单元间的相互作用形式可以描述为具有连接约束。其水动力特性分析方法与复杂形状的单体海洋机器人相同。因此，将其流体力学分析过程分为粘性流体力学和惯性流体力学。用于计算粘性流体力学的方法包括母体估计方法、约束模型试验方法、CFD数值计算方法和参数识别方法；计算惯性流体力学的方法包括平面运动机构法、平板法和CFD数值计算法。
母体估计方法基于相似形状水动力模型试验数据的回归分析，为机器人的初步设计提供参考；约束模型试验方法通过使用试验设备获得机器人的粘性流体动力系数，是最可靠、最准确的方法，但测试周期长、成本高；CFD数值计算方法比主要的母体估计方法具有更高的精度，比约束模型试验方法具有更短的试验周期和更低的成本，但求解结果受到一些因素的影响，如湍流模；参数辨识方法主要用于评价机器人的水动力性能，验证约束模型试验结果的准确性；平板法利用势流理论计算惯性流体力学，适用于形状简单的机器人。
，一个水动力模型的多种计算设计周期。例如，TriMARESAUV的水动力学在设，在后期开发阶段采用参数识别法进行校正。因此，选择何种方法来计算刚性连接的多体海洋机器人的水动力模型，应根据其范围和特点而定。
02
联合连接多体海洋机器人
联合连接的多体海洋机器人由多个单元和关节组成。这种连接结构可以实现超冗余运动、模块化结构和分散的推进力。超冗余运动可以实现更好的操作能力，模块化结构可以实现方便的装配，分布式推进力可以实现多种形式的运动。联合连接多体海洋机器人的典型代表包括水下机械手、海洋蛇形机器人等。
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水下机械手
水下机械手在海洋工程中占有重要地位，是水下航行器常用的机械工具。其不可替代的操作优势使其成为近年来研究的热点，特别是在轻量化结构设计、高精度控制算法、自主操作模式等领域。水下机械手通常装备在其他移动平台上，以扩大操作范围。根据是否有稳定的碱基，可将其分为根系和无根系。
具有稳定基座的水下机器人通常被视为具有稳定基座的更多体系统。
TritonST-ROV由HelixEnergySolutionsGroup开发，符合大多数海上作业的要求，如图5a所示。它宽约1.3m，长2.6m，高2.1m，在空气中重2.95t。
韩国船舶与海洋工程研究所开发的KRISOROV用于验证水下机械手自主干预算法的有效性，如图5b所示。它大约宽0.9m，长1.1m，高1.2m，在空气中重230kg。它由上部和下部组成。浮力块和螺旋桨安装在上部。下部装有机械手和油补偿装置。
图5具有稳定基座的AUV
水下机器人系统（UVMS）或自主式水下机器人（I-AUV）通常被视为无根多体系统。对于UVMS/I-AUV，水下机械手的惯性通常是不可忽略的。
UVMS/I-AUV以其良好的自主作战。如图6a所示，ALIVEI-AUV是水下自主干预中的一个里程碑，是第一个能够自主执行操纵动作的AUV，包括打开/关闭水下面板中的阀门。ALIVEI-AUV长约4米，宽2.2米，高1.6米，在空中重3.5吨，安装2台5自由度液压爪机械手操作。
R型武装AUV于2007年开发的，如图6b所示，适用于非结构环境下的水下作业，具有良好的灵活性和高效性，在湖泊和海洋试验中得到了验证。它配备了一个2自由度电动机械手。机械手由两个连杆、两个摆动节和一个机械爪组成，在空气中重5公斤，在水中重2公斤。最大起重量为5公斤。
Girona500I-AUV由Ridao等人开发，如图6c所示，它由三个鱼雷式单体AUV组成，可根据不同要求配置不同配置的水下机械手。
图6UVMS/I-AUV研发成果
此外，还有一些新的UVMS/I-AUV正在开发中。例如，川崎AUV计划于2020年发布，如图7a所示。它将配备一个机械手，作为海底天然气或石油管道维护和维修的检查工具模块。稳健型水下机器人是由欧盟支持的稳健项目在2020年规划开发的，如图7b所示。
图7研发中的UVMS/I-AUV
水动力特性
在具有稳定基座的水下机械手系统中，可以分别分析机械手的水动力特性；在没有稳定基座的水下机械手系统中，应考虑基座对机械手水动力特性的影响。主要分析方法有母体估计法、参数识别法和CFD方法。
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海洋蛇形机器人
海洋蛇形机器人是由几个单元串联而成的，特点是体波推进系统。由于其灵活性和自主操作能力的优势，这是串行多体系统的研究热点。它需要根据不同的任务要求具有不同的运动能力。它的相邻单元是通过关节连接的，不同的关节结构会导致不同的运动能力。
具有二维运动能力的海洋蛇形机器人
海洋蛇形机器人关节采用平面铰链结构，只能进行二维运动。但其运动更稳定，控制方法更简单。
法国系列机器人是二维运动的典型代表。角闪石三号（图8a）由8个身体单元和1个尾巴单元组成，97毫米长，40毫米宽和57毫米高。AmphiBotIV被称为Envirobot，它的柔性尾鳍比角闪石III大，如图8b所示，在执行污染物成分跟踪任务方面有很大优势，因为与螺旋桨驱动的机器人不同，它不会通过搅动泥浆或干扰水生生物来影响化学成分的测量。
此外，还有其他具有二维运动的典型海洋蛇形机器人，如仿生两栖机器人（图8c）蝾螈机器人（图8d）包括9个单元，它不仅可以通过4条肢体在地面上移动，还可以通过6个驱动铰链关节产生的脊柱横向波动在水中游泳。船用蛇形机器人（图8e）包括20个单元和19个伺服驱动器。通过对鳗鱼推进尾迹的分析，研究了鳗鱼游泳运动的流体力学。
图8将DMs聚类成固定数量的集群
具有三维运动能力的海洋蛇形机器人
海洋蛇形机器人的关节采用通用关节结构，可以进行三维运动。这种结构形式使得机器人相对于平面铰链结构具有更高的运动冗余度和更复杂的控制方法。
ACM和Perambulator系列机器人是执行三维运动的典型代表。ACM-R5长1.75米，在空气中重7.95公斤，如图9a所示，其直径和长度分别为80毫米和170毫米。每个单元配备6个带被动轮的孔。其关节采用通用关节结构，可实现偏航和俯仰两自由度运动。ACM-R5蛇形机器人不仅可以在平坦或崎岖的水面上移动，还可以在水中游泳。它具有优良的三维运动能力，最大游泳速度为0.4米/秒。由中国科学院沈阳自动化研究所研制的巡游器3由9个单元组成，如图9b所示，用于环境探测和水下救援。它具有三维运动能力，最大游泳速度为0.3m/s。
图9具有三维运动能力的海洋蛇形机器人
提高运动和操作能力的海洋蛇形机器人
增加额外的推进装置可以提高海洋蛇形机器人的运动能力。从2016年开始研发的Eelume系列机器人在身体两侧增加了额外的推进器，以增强它们的运动能力。它们不仅可以通过游泳运动，还可以通过三维空间中的螺旋桨推进运动。这种配置增加了它们的可操作性，因此Eelume系列机器人可以在狭窄的空间执行任务。Eelume2型海洋蛇形机器人可以完成海洋环境观测、管道探测等任务，如图10a所示，其关节采用可实现两自由度运动（偏航和俯仰）的结构。其直径、空气重量、最大工作深度和最大功率分别为180mm、75kg、150m和2kw。
此外，随着IMR需求的不断增加，在海洋蛇形机器人上增加了爪形装置，以提高其操作能力。这种机器人也称为水下游泳机械手（USM）。2019年2月推出的最新一代EELY500是一个典型的代表。其主体直径、最大直径（包括螺旋桨）、长度、空中重量、最大工作深度、最大速度分别为200mm、490mm、2.5m、70kg、500m和4节，如图10b所示。
图10提高运动和操纵能力的海洋蛇形机器人
水动力特性
海洋蛇形机器人的流体动力学建模有两种主要思想。一是将机器人视为具有多个环节的不连续系统，二是将机器人视为连续系统。
第一种建模考虑了连杆上的流体动力影响，而忽略了接头上的流体动力影响。另外，流体力学又分为粘性流体力学和惯性流体力学（包括非惯性系产生的科里奥利力）。根据Morison方程将粘性流体力学分为摩擦阻力和压差阻力，惯性流体力学由附加的线性角耦合惯性矩阵和附加的角惯性矩阵表示。
Boyer和Porez将海洋蛇形机器人视为一个连续系统，建立了AmphiBotⅢ海洋蛇形机器人的流体力学模型。他们使用牛顿-欧拉方法求解水动力模型。
随着对运动能力要求的不断提高，海洋蛇形机器人的结构和运动形式越来越多样化，这给精确建立水动力模型提出了更大的挑战。
03
电缆连接机器人
电缆连接的多体船用机器人是一个相邻单元通过电缆连接的机器人系统。波浪驱动的无人水面机器人（WUSV）和无人水面机器人（USV）牵引动力对接装置平台是典型的代表。电缆只能限制单元之间的最大距离，当单元间的距离，多体机器人可视为近距离多个单体机器人。
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WUSV
WUSV是一个多体系统，由水面浮体、缆绳和水下滑翔体组成。由于其优良的耐久性，广泛应用于空气界面的长期观测。
波浪滑翔机是典型代表，如图11所示。其重量、航速范围、平均航速、最、最大移动距离分别为75公斤、1-3节、1.5节（波高0.4-1米）、1年以上、17371.76公里。波浪滑翔机的水面漂浮体长2.1米，宽0.6米。波浪滑翔机水下滑翔体（含7个单元）长0.4米，宽1.9米。波浪滑翔机的缆绳有7米长。
图11波浪驱动的无人波浪滑翔机
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USV牵引动力对接装置平台
USV牵引动力对接装置平台可以在航行中完成AUV的对接和回收。它主要由上部、下部和电缆组成。上部是在水面上工作的USV，下部是在水面下工作的对接装置。这两部分用电缆连接。
Sarda、Dhanak和Meng等人分别于2017年和2019年开发了AUV动态对接回收装置，如图12所示。由于其稳定性和可靠性，其回收成功率较高。
图12由USV牵引的动态对接装置的机器人平台
由Sarda等人开发的平台上部（包括2个单元）和下部（包括2个单元）分别是WAM-V14USV和REMUS100AUV。WAM-V14USV是一种双体船。它长1.25米，宽2.13米，高1.1米，在空气中重125公斤。REMUS100AUV长1.6米，直径0.19米，在空气中重38.5公斤。
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水动力特性
至少有一个装置在水面工作的电缆连接多体海洋机器人的水动力特性需要考虑波浪的影响，然而，影响通常是简化的，例如波被认为是小振幅的规则波。
所连接多体船用机器人的水动力特性分析通常采用材料估算法、参数识别法和CFD方法。
04
多体海洋机器人的未来发展趋势
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机器人结构正朝着多样化和专业化方向发展
操作能力要求的提升对多体海洋机器人的结构提出了更高的要求。为了更好地完成任务，需要在原有的多体机器人上添加其他产生运动的功能模块。
以海洋蛇形机器人为例，通过增加螺旋桨功能模块来实现混合推进，以满足运动速度快、姿态受限的任务要求。增加螺旋桨功能模块，不仅提高了海洋蛇形机器人的机动性，而且增加了其多样性。
此外，目前大多数多体机器人的结构都采用了一种机器人可以执行多种任务类型或满足多种任务指标的设计理念。未来，将有更多的任务，更高的操作难度和更高的操作质量。机器人完成这类任务最简单、最专业的结构将是一种发展趋势。因此，多样化和专业化是未来多体海洋机器人结构的发展趋势。
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每个单元的结构都朝着可重构的方向发展
大型单体水下机器人不仅需要高昂的研究、开发和维护成本，而且其复杂的工作流程需要更多的人参与操作。此外，由于体积的限制，中小型单体水下机器人的能量有限，功能有限。将可再配置能力分配给中小型单体水下机器人将是当前形势的一个潜在解决方案。
由于人工准确性的限制，单体AUV执行一般海洋观测任务很难满足复杂海底地形的测绘要求。然而，具有可重构能力的多体AUV可以重组为具有良好可操作性的多体机器人，既满足了地图绘制的要求，又具有能量共享的优点。因此，单元的可重构性是多体AUV结构未来的发展趋势。
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仿生机器人的运动建模正朝着完善机构的方向发展
海洋动物的运动机理是建立相应仿生机器人水动力模型的基础。鱼类在水中运动的实现通常被认为是涡流控制的结果。然而，一个相对完善和有效可控的模型尚未建立起来。为了建立一个完整的模型，有必要探讨物体变形与水流响应之间的相互作用机理和能量消耗机理。此外，在运动机理建模中还需要考虑产生的涡流对快速启动和方向变化的影响。探索完善的运动机构模型，实现高效、高机动的运动，将加速仿生多体海洋机器人的应用。
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水动力模型正朝着精确的方向发展
多体机器人水动力特性的研究主要分为分析方法和数值模拟方法。
早期的研究成果主要集中在理论分析方法上，根据研究对象的不同，在N-S方程的基础上进行修正。用这种方法可以得到近似的解析解。这些结果大多基于假设，使得其仅适用于特定情况，并有重大错误。
随着计算机技术的发展，数值模拟方法逐渐应用于水动力特性的研究。该方法也基于N-S方程，但没有修改过程。它通常通过数千次迭代来减少误差，以逼近精确解。尽管由于计算离散化，该方法无法获得解析解，但所得结果更为准确，并能呈现丰富的流程细节。基于解析模型的数值模拟方法，由于近似解析解模型可以减小数值模拟的初始误差，因而更具针对性和准确性。