书城科普读物探究式科普丛书-智能的机器:机器人
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第6章 种类繁杂——机器人的分类(4)

日本对于无人有缆潜水器的研制比较重视,不仅有近期的研究项目,而且还有较大型的长远计划。目前,日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业,完全取代目前由潜水人员去完成的危险水下作业。

在无人有缆潜水技术方面,西欧发达国家始终保持了明显超前发展的优势。根据欧洲尤里卡计划,英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良,能在6000米水深持续工作250小时,比现在正在使用的只能在水下4000米深度连续工作只有12小时的潜水器性能优良得多。

英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有独特的技术特点,它是采用计算机控制,并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。

母船上装有4台专用计算机,分别用于处理各种海洋环境的资料。

经过整理,通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室,并贮存在资料库里。

无人有缆潜水器的发展趋势有以下几点:一是水深普遍在6000米;二是操纵控制系统多采用大容量计算机,实施处理资料和进行数字控制;三是潜水器上的机械手采用多功能,力反馈监控系统;四是增加推进器的数量与功率,以提高其顶流作业的能力和操纵性能。此外,还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力。

2.技高一筹——无人无缆潜水器

1980年法国国家海洋开发中心建造了“逆戟鲸”号无人无缆潜水器,最大潜深为6000米。

“逆戟鲸”号潜水器先后进行过130多次深潜作业,完成了太平洋海底锰结核调查、海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。1987年,法国国家海弹开发中心又与一家公司合作,共同建造“埃里特”声学遥控潜水器,用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度要比“逆戟鲸”高许多。

1988年,美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作,研制了两艘无人无缆潜水器。1990年,无人无缆潜水器研制成功,定名为“UUV”号。这种潜水器重量为6.8吨,性能特别好,最大航速10节,导航精度约0.2节/小时,潜水器动力采用银锌电池。

这些技术条件有助于高水平的深海研究。另外,美国和加拿大将合作研制能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。

目前,无人无缆潜水器尚处于研究、试用阶段,还有一些关键技术问题需要解决。今后,无人无缆潜水器将向远程化、智能化发展,其活动范围在250~5000千米的半径内。这就要求这种无人无缆潜水器有能保证长时间工作的动力源。在控制和信息处理系统中,采用图像识别、人工智能技术、大容量的知识库系统,以及提高信息处理能力和精密的导航定位的随感能力等。如果这些问题都能得到解决,那么无人无缆潜水器就是名副其实的海洋智能机器人了。

3.记录历史-水下6000米无缆自治机器人

世界上第一台无人潜水器“Poodle”诞生于1953年,迄今已有近60年的历史。

无人潜水器最初的20多年发展缓慢。20世纪70年代,随着海上石油开采的兴起,水下机器人的发展掀起了高潮。这一时期开发出一批能在不同深度、可进行多种作业的机器人。

它们可用于石油开采、海底矿藏调查、打捞作业、管道铺设及检查、电缆铺设及检查、海上养殖以及江河水库大坝的检查等方面。

估计目前世界上已研制成的遥控水下机器人(ROV)在1000台以上。

我国机器人的发展起步较晚,“海人1号”先后于1985年及1986年获得首航及深潜试验的成功,技术上达到20世纪80年代世界同类产品的水平。

1986年“863”计划实施之前,我国研制的都是有缆遥控水下机器人,工作深度仅为300米。1994年无缆水下机器人“探索者”号研制成功,它工作深度达到1000米,甩掉了与母船间联系的电缆,实现了从有缆向无缆的跨越。

1995年8月,“CR-01”6000米无缆自治水下机器人研制成功,使我国成为世界上拥有潜深6000米自治水下机器人的少数国家之一。

1997年6月,中国“大洋1号”考察船停泊在夏威夷以东1000海里的海面上,科学家通过努力将“CR-01”6000米水下机器人潜入5179米的太平洋海底并顺利回收。它标志着我国自治水下机器人的研制水平已跨入世界领先行列。

“CR-01”水下机器人的本体长4.374米,宽0.8米,高0.93米,它在空气中的重量为1305.15千克,它的最大潜深6000米,最大水下航速2节,续航能力10小时,定位精度10~15米。它是一套能按预订航线航行的无人无缆水下机器人系统,它可以在6000米水下进行摄像、拍照、海底地势与剖面测量、海底沉物目标搜索和观察、水文物理测量和海底多金属结核丰度测量,并能自动记录各种数据及其相应的坐标位置。

“CR-01”主要由载体系统、控制系统、水声系统及收放系统四大部分组成。它的机动性强,自动定向定深快、准、精。本体在深水中的运动轨迹清晰,并可通过长基线定位系统对本体实施8道控制命令。系统本体所载传感器和探测系统齐全,可实时记录下温度、盐分、深度等参数。发生局部故障或丧失自航能力时,它能自动抛载上浮至水面,且自动抛起应急无线电发射天线和亮起急救闪光灯。机器人还有独特的回收和释放本体的收放系统。

第四节战争骄子——军用机器人

人们见到的较多的是工业生产流水线上的机器人,但大多数人很少看到过供军事作战使用的机器人,因为它是一种军事机密。

早在20世纪70年代中期,美国五角大楼就开始通过各种试验来证实军用机器人的使用价值。80年代以来,美国军方声称已经拥有一支由机器人士兵组成的作战部队,其兵种涉及陆、海、空、侦察和供给等领域。

近十几年来,在接连不断的局部战争的推动下,军用机器人的发展产生了质的飞跃。在海湾、波黑及科索沃战场上,无人机大显身手;在海洋,机器人帮助人们清除水雷、探索海底的秘密;在地面,机器人为联合国维和部队排除爆炸物、扫除地雷;在宇宙空间,机器人成了考察火星的“明星”。

装备军用机器人究竟有哪些好处呢?

首先,机器人可以代替士兵完成繁重的工程及后勤任务。

其次,由于机器人对各种恶劣环境的承受能力大大超过载人系统,因而在空间、海底及各种极限条件下,它可以完成许多载人系统无法完成的工作。

此外,在未来的战场上,将会出现越来越多的新式武器和大规模杀伤武器,在这样的条件下,士兵的生存非常困难,其代价也是昂贵的,因此大量采用战场机器人将是一种趋势。

最后,由于机器人按设定规划行动,在环境极其险恶、只有采取某种自杀行为才能挽救战局时,它会毫不畏惧地承担起自我牺牲的战斗任务。

由于大量采用机器人,未来战争的战略及战术都会有很大的变化,那时相互作战的将是机器人部队或机器人兵团,因而部队的指挥员应当是具有高度技术水平和作战经验的专门人才,而培养这种人才的高等学校也将应运而生。

1.身手敏捷-排爆机器人

排爆机器人是排爆人员用于处置或销毁爆炸可疑物的专用器材。

它可用在各种复杂地形进行排爆,主要用于代替排爆人员搬运、转移爆炸可疑物品及其他有害危险品;代替排爆人员使用爆炸物销毁器销毁炸弹;代替现场安检人员实地勘察,实时传输现场图像;可配备散弹枪对犯罪分子进行攻击;可配备探测器材检查危险场所及危险物品。由于科技含量较高,排爆机器人往往“身价”不菲。

排爆机器人一般体积不大,转向灵活,便于在狭窄的地方工作,操作人员可以在几百米到几千米以外通过无线电或光缆控制其活动。

机器人车上一般装有多台彩色CCD摄像机、多自由度机械手、猎枪甚至高压水枪等。

2.昼夜潜伏-侦察机器人

美国第一代侦察机器人是在海军陆战队的支持下,由海洋系统中心研制的。它由M113装甲人员运输车改装而成,体积较大。

为了在城市作战中隐蔽性更好,海军陆战队研制了第二代小型侦察机器人-“Sarge”,它于1998年首次露面,1999年进行了演示。该车是在一辆雅马哈125四轮全地形车上,装上不同的摄像机和夜视装置构成的。它的隐蔽性好,适于昼夜侦察。“Sarge”侦察机器人发现单个人的距离为1千米,发现车辆的距离为5千米。机器人车由运输车中的操作员控制,控制器装有全球定位系统,可精确确定敌人目标的位置,通过无线电或光缆遥控机器人。

美国海军陆战队正在探索实现微型无人地面车辆的可能性,想研制出一种比人手还小的无人地面车辆,它可以行走,有翅膀,会跳跃或短距离飞行。

美国陆军打算在未来5年内研制出下一代核生化传感器,装备到第四代坦克中,把它们改造成为侦察车,这些侦察车具有运动中远距离探测核生化污染的能力。它可在战场上发现、识别、测绘及标志核生化污染,并向部队发出报警。

美国国防高级研究计划局准备在未来研制昆虫大小的微型无人地面传感器,这类机器人的体积只有2.54厘米大小,可以携带音响、电磁、地震、化学、生物成像及环境等各种传感器,可利用炮弹、火箭、导弹、飞机、无人机将它们投掷到敌人的防线后面,也可附在敌人的车辆上,混入敌人的阵地进行侦察。

3.不畏艰险-水下扫雷机器人

为了避免人员的伤亡,一些发达国家都依靠遥控潜水器扫雷。

目前扫雷用的ROV的潜水深度一般为几米到500米左右。

用遥控潜水器扫雷的过程大致如下:扫雷舰的声呐发现水雷后,先确定出大致方位,然后给遥控潜水器装上扫雷装药,再把它放入水中。操作人员通过光缆控制它驶向目标,在目标附近,遥控潜水器的摄像机拍摄目标的图像并将它传回军舰,操作人员进一步确定它是不是水雷;然后遥控潜水器就对目标精确定位,把炸药在水雷旁放好,然后返回母舰,最后引爆水雷。扫除锚雷时,先由遥控潜水器切断锚链,水雷浮出水面后再用炸药引爆。

美国ECA公司研制的“PAP-104”就是这样的遥控潜水器,有14个国家的海军装备了350台这种水下机器人。“PAP-104”既可扫除锚雷也可扫除沉底雷。

在世界上,有10个国家的海军购买了意大利的“Pluto”遥控水下机器人,它共有三种型号,潜深400米。它的改进型“Pluto Plus”缆绳长2000米,航速由4节提高到7节,蓄电池的容量也翻了一番。

瑞典博福斯公司研制的“双鹰”遥控潜水器已被瑞典、丹麦及澳大利亚海军选用。双鹰载重80千克,速度5节,可在500米深处作业。它装有360度全姿态控制系统,使遥控潜水器可在6个自由度上运动,稳定性很好。

德国STNA tlas电子公司研制出“企鹅”B3型遥控潜水器,装有两台变速推进发动机和一台垂直发动机,速度6节,载重225千克,光缆长1000米。它装备在MJ332扫雷舰上。该公司正进一步改进它,使其潜深达到300米。

为了缩短扫雷时间提高扫雷的可靠性,人们研制出一种一次性使用的扫雷武器——微型鱼雷。它不需要用遥控潜水器运送目标,而是由扫雷舰把它直接放到水中,然后它自动导向目标,利用自身的传感器确认并对水雷定位,引爆后摧毁水雷。

挪威海军的“水雷狙击手”就是第一个这样的微型鱼雷。它采用锥孔装药,虽然体积与北约的标准装药相同,但装药量少得多,重量又轻,在舰上搬运非常安全。它特别适合由小型舰只投放,据称,它可有效地对付沉底雷和锚雷。德国STNA tlas公司正在研制两种微型鱼雷,一种是“海狐”号,一种是“海狼”号。

未来遥控潜水器发展的方向很可能是把可变深度声呐装在它上面,部署到可能有水雷的危险区域去,扫雷舰就不必亲自前往,这样就大大提高了人员及设备的安全性,也提高了探雷的可靠性。

为了对付岸边的水雷,美国罗克威尔公司及IS机器人公司研制了一种名叫“水下自主行走装置”的机器蟹,这种机器蟹可以隐藏在海浪下面,在水中行走,迅速通过岸边的浪区。当风浪太大时,它可以将脚埋入泥沙中,通过振动可将整个身子都隐藏起来。

机器蟹长约56厘米,重10.4千克,包括一个3.17千克重的压载物。

为了携带传感器,它的脚比较大,便于发现目标。当它遇到水雷时,就把它抓住,然后等待近海登陆艇上的控制中心的命令。一旦收到信号,这个小东西就会自己爆炸,同时引爆水雷。技术人员还打算使机器蟹之间可以进行通信联络,从而提高扫雷的效率。