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新型水下機器人30秒轉換成人形完成深海任務

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幾個月前《IEEE Spectrum》的特約編輯Evan Ackerman來到了美國宇航局用于訓練宇航員的泳池,去看Houston Mechatronics公司制造的機器人潛艇Aquanaut,它可以熟練的在水中變成人形。


Aquanaut的外表是明亮的橙色,造型就像一艘微型潛艇一樣。從外表看來,它和其他無人駕駛水下機器人沒什么不同,但它內部配備了用于手機數據的傳感器和用于前進的推進器。


Aquanaut代表了一種全新的設計,它的創造者Houston Mechatronics公司希望Aquanaut能夠徹底改變海底機器人技術。


一、水下機器人變形過程類似變形金剛

Aquanaut變成人形的過程就像電影《變形金剛》中的場景一樣,機器人外殼的頂部升起,從兩邊展開兩條巨大的手臂,一個裝滿傳感器的楔形頭旋轉到位,在幾秒鐘內,轉變就完成了。這時,原本光滑的潛艇已經變成了一個半人形的機器人,準備開始工作。


傳統的無人水下機器人通常分為兩類,于遠程測量任務的魚雷式自由游動潛水器,以及用于支撐船只并用于水下操縱的四方形遠程遙控機器。Houston Mechatronics希望能將這兩種模式組合成一個機器人,這是一個前所未有的大膽嘗試。


Aquanaut的設計主要是為海底石油和天然氣裝置提供維修服務,這些裝置需要擁有和運營這些設施的公司花費大量資金來檢查和維護它們。在海底的極端工作環境中,他們所依賴的機器人技術幾十年來從未發生過根本性的變化。


Houston Mechatronics的75名員工中,有超過24名曾經為NASA工作過,在極端環境下爆發創造力就是他們擅長的。Houston Mechatronics的聯合創始人兼首席技術官Nic Radford曾在休斯敦的美國宇航局約翰遜航天中心從事高級機器人項目工作14年。他說:“進入水下比進入太空更困難,太空是一個原始的環境,而水下的事物是非常動態的,我沒辦法定論在機器人在水下工作比在太空中難10倍還是50倍。”


Aquanaut可以從一艘專為遠距離巡航設計的靈活潛艇變成一個能夠執行復雜操作任務的半人形機器人。以下是機器人變化的過程:

1. Aquanaut以簡化的潛艇模式前往海底工作場所。

2. 一旦機器人到達現場,其船體的頂部就會上升,暴露出兩個巨大的手臂和一個楔形的頭部。

3. 頭部攜帶立體攝像頭,3D傳感器和聲納系統,旋轉到位。

4. 機器人展開其強大的手臂,配備力傳感器和爪式夾鉗。


自2014年Houston Mechatronics成立以來,Nic Radford和其他聯合創始人Matt Ondler和Reg Berka已經籌集了超過2300萬美元的風險資本。


二、Aquanaut可遠程控制修復深海裝置

Nic Radford說:“把機器人放在偏遠的地方,讓它們在嚴酷的數據環境中做有用的工作,最適合這個大問題: 離岸工作。”


海底的井口由金屬組件覆蓋,用于控制碳氫化合物流向地表。 這些結構覆蓋著管道、閥門、歧管、和儀表,有些有四層樓那么高,通常被稱為“圣誕樹”。為了對井口進行日常維護,或者改變井的輸出,必須轉動“樹”上的一些閥門,而且在300米以下的深水井中,潛水員通常無法進行操作,唯一的方法是使用機器人潛水器。



幾十年來,在深水油井上工作的既定程序一直是向油井地點發送遠程操作的水下航行器( ROV)。 但是,除了發送ROV本身,還必須派遣一艘載有訓練有素的人員的大型輔助船只作為ROV的操作基地,ROV幾乎或根本沒有自主權,需要通過水面人員的操作獲得動力和控制,這項工作非常昂貴,每天要花費數萬到數十萬美元。


Houston Mechatronics的計劃是減少水下機器人對水面控制的需求,Aquanaut不需要纜繩或支援船。它將以潛水艇模式前往其深海目的地,在那里它將變形為人形,展開手臂進行工作。Aquanaut的每個手臂都裝有力矩傳感器,并有八個運動軸,類似于人類手臂。


Aquanaut上的機械手臂還有能夠轉動水下“圣誕樹”的閥門,甚至可以操作機器人在內部有效載荷艙中攜帶的專用維護工具。


Aquanaut將執行由人工操作員監督但不直接控制的任務。 任務完成后,機器人將自動返回。Nic Radford表示,這種方法將使Aquanaut的部署速度更快,運營成本也比現在的ROV更低。 他估計,成本可能遠低于傳統業務市場價格的一半。


經過無數次的迭代設計后,Aquanaut終于誕生了,但在真正進入海底工作之前,它還需要在更加可控的條件下證明自己,這就意味著Aquanaut還要在NASA的泳池里先練習“游泳”。


美國宇航局中性浮力實驗室(NBL)可以容納2350萬升水,最大深度為12米,足以容納國際空間站大部分的全尺寸模型。2019年3月下旬,Houston Mechatronics已經部分接管了NBL,來測試Aquanaut。


在水下10米處,Evan Ackerman背著兩個氮氣罐,在水中跟蹤機器人。到目前為止,Aquanaut已經順利進行了8天的測試,唯一的問題是手臂出現了通訊故障,但Houston Mechatronics并不擔心,他們知道要使Aquanaut能達到真正的工作標準,還有很多工作要做。


三、Aquanaut應用面臨三大難題

Aquanaut相對于傳統ROV的主要優勢在于其不受限制的操作。Houston Mechatronics必須解決幾個關鍵問題才能實現其功能。


首先是讓機器人在沒有大型支援船只的情況下到達海上工地。Aquanaut在潛艇模式下可以行駛200多公里,到達目的地后將自動轉換成ROV模式,隱藏在船體內部的附加推進器能使其更具有機動性。


機器人變形的過程是另外一個重大挑戰,也是Houston Mechatronics內部一直在爭論的焦點。Aquanaut的首席工程師Sandeep Yayathi認為,建造Aquanaut的好處遠超其復雜性帶來的困難,最終他們還是決定突破重重困難完成Aquanaut的設計。


為了使Aquanaut能夠如此大幅度地改變其形狀,該機器人配備了四個定制的線性驅動器,將機器人的上半身和下半身分開。額外的電機,也是高度定制的,安裝在防水外殼中,驅動手臂和頭部。 在動力方面Aquanaut使用了一種類似于電動汽車使用的鋰離子電池。從潛艇到機器人的完整轉換只需要30秒就可以完成。


也許這些挑戰都不如設計Aquanaut的控制系統那么重要。傳統的ROV具有多個實時攝像機進行視頻傳輸,人類操作員可以實時操縱這些機器人。



Aquanaut的唯一通信方法是通過一個聲學調制調節器進行,這項成熟的技術雖然在水下有幾十公里的范圍,但同時具有高延遲和底帶寬的劣勢,它的傳輸速度最快只有幾千字節每秒。Houston Mechatronics計劃依靠小型無人水面艦艇作為機器人和通信衛星之間的中繼站,以便于在任何地方控制Aquanaut。


Houston Mechatronics計劃對Aquanaut進行高級監督控制,將大多數低級決策委托給機器人的機載計算機。這些計算機運行機器人操作系統(ROS),這是一個用于研究和商業機器人的流行軟件平臺。機器人利用頭部的傳感器組件,包括立體攝像機、結構光傳感器和聲納系統,構建出周圍環境的詳細3D渲染圖。Aquanaut將高度壓縮的子部分傳輸給操作員,將它們與現有的結構模型進行匹配。


然后,操作員發出簡單的指令,比如“將閥門在這些坐標處順時針旋轉90度。”機器人將自主決定如何抓住閥門以及轉動時施加多少力,并在完成任務后發回確認信息。操作員仍在指揮機器人的動作,但是不需要手動操作機器人,也不需要高帶寬的實時視頻傳輸。



Houston Mechatronics的長期計劃是將Aquanaut的能力作為一種服務出售,使用分布在北海或加利福尼亞沿海地區的小型機器人艦隊,石油和天然氣公司只需要簡單地要求完成指定的任務,Houston Mechatronics就會安排最近的機器人來處理它。


商業運營并不是Houston Mechatronics為Aquanaut所做的唯一探索。2018年底,美國國防部高級研究計劃局宣布了一項名為Angler的計劃,旨在“開發一種海底自治系統,可以導航并物理操縱海底物體。”美國國防部高級研究計劃局在發布聲明時附上了一個帶有兩條手臂的流線型機器人潛水艇圖像,這一概念對Houston Mechatronics公司來說是個好機會。


Aquanaut已經為下一次NBL測試做好了準備。它的第一次開放水域演示可能會在八月份在羅德島舉行的海軍技術演習中進行。Nic Radford表示,從事大膽創新的工作是他的興趣,它們將證明有更好、更具成本效益的方式完成水下工作。


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