水下管道作为水源保障、能源输送的重要通道, 需要定期检查维护[1-2]。目前, 对水下管道检查主要有2种方式: 一是人工作业, 由于水下作业环境复杂, 人员伤亡事故时有发生; 二是采取遥控水下航行器和自主水下航行器等装备进行作业[3], 但这些水下航行器普遍存在体积大、设备重和灵活性差等缺点, 难以进入水下狭窄管道进行检查作业。为解决以上难题, 水下蛇形机器人因具有形状多变、机动性强和灵活性高等优点[4-8]被广泛关注, 为水下管道检查作业提供了新思路。
2017年, 挪威科技大学与海洋船舶公司合作, 首次设计出一款水下蛇形机器人Eelume[9], 如图1所示。Eelume依托模块化思想设计, 采用螺旋桨推进方式来实现定深悬浮、狭小空间移动等功能, 通过水深200 m测试证明可满足水下管道检测基本要求。此后, Huang等[10]研发了带有柔性尾鳍的水陆两栖蛇形机器人(如图2所示), 该机器人整体长度约126 cm, 关节模块直径约8.5 cm, 整体质量5.95 kg, 7个关节模块均采用正交方式连接, 尾鳍长度约为20 cm, 摆动幅度为180°, 在水中的游动速度可达0.5 m/s。张军豪等[11]开发刚性推进和软关节混合驱动控制的水下蛇形机器人动力学模型, 通过仿真验证了机器人能够进行包括正向和向后直线运动、偏航转弯、俯仰运动和螺旋上升运动等多模态游泳行为, 总体结果表明了所开发的动态模型在预测机器人轨迹、位置、方向和速度方面的有效性和通用功能性。
Kelasidi等[12]考虑了动力学对流体动力和流体力矩的影响因素, 构建了运动和动力学模型, 该模型无需采用算法方法计算阻力和力矩, 仅分析流体力学对流体接触力和转矩进行建模。Yang等[13]以Kane方程构建了水下蛇形机器人运动学和动力学模型, 该动力学模型包括了多种水动力, 提供了水下蛇形机器人在水下环境的完整描述。Gallot等[14]提出一种基于牛顿-欧拉方程递归算法的水下类鳗机器人三维混合动力学建模方法。
Khalil等[15]将虚拟完整约束框架扩展到了受海流影响的水下蛇形机器人中, 无需改变控制器结构即可补偿海流影响，该方法可以解决洋流额外干扰造成的控制漂移问题。Kelasidi等[16]提出一种配备被动尾鳍的蛇形机器人的路径跟踪控制方法, 该方法使得机器人亲近速度提高近一倍。Morgansen[17]等提出一种动态模型方案, 该方案能够实现运动和关节角度自适应的优化控制, 在精准度和效率方面具有更好的性能。
目前大部分蛇形机器人关节都为刚性结构, 采用电机或者舵机驱动, 这种设计在陆地上较容易控制, 但对于水下运动的蛇形机器人, 不仅要考虑到密封问题, 在面对水下受限空间非结构环境的干预作业任务时, 未知环境的接触和碰撞以及受限空间的复杂约束对机器人的运动控制提出了更高的要求。目前水下蛇形机器人仍普遍采用比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)控制、模糊控制和中枢模式生成(central pattern generator, CPG)控制等常规的运动控制方法, 由于水下环境的复杂性和特殊性, 仅靠一种控制方法无法实现其稳定游动, 大多采用2种控制算法结合来提高其游动性与稳定性。文中基于蛇类运动机理建立水下蛇形机器人运动学模型, 分别从水蛇的身体+蛇尾推进方式着手, 提出一种模糊CPG控制方法, 实现水下蛇形机器人的多模态游动控制。
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