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【专业剖析】为何水下机器人历经30年,仍未解决通讯难题?

导读: 不像在陆地上通讯网络四通八达,目前水下信号传输基本还是空白。尽管现在也有人在做水下通讯网络的搭建,但总的来讲难度很大,进展也不顺畅。

近年来,我国机器人产业一片欣欣向荣。

2017年,预计我国机器人市场规模将达到62.8亿美元,2012-2017年的平均增长率达到28%。其中,工业机器人42.2亿美元,服务机器人13.2亿美元,特种机器人7.4亿美元。

不过,在这些漂亮的数据背后,隐藏的却是很多难以言说的缺陷和不足,有些甚至已经逐渐成为制约产业发展的心腹大患。

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对此,中国工程院院士封锡盛有着清醒的认识。

封锡盛院士我国最早从事水下机器人研究的专家之一,曾经担任我国第一台有缆遥控水下机器人“海人一号”电控系统负责人、我国第一台无缆自治水下机器人“探索者号”的总设计师、“CR-01”6000米自治水下机器人项目副总设计师、“CR-01”自治水下机器人工程化项目的总设计师和“CR-02”6000米自治水下机器人总设计师。

关键零部件、材料技术、人机交互等是最大短板

关于机器人产业的分类,国内一直没有统一的说法。目前主流的观点认为,以其应用的产业为区分标准,机器人可以分为工业机器人、服务机器人和特种机器人。

在众多的分类中,大多都把水下机器人归到特种机器人的分类中。本文亦循此法。

从整体情况来看,我国机器人产业的发展还是比较快的,其中尤其是工业机器人领域。目前我国工业机器人约占全球市场份额30%以上,是全球第一大工业机器人应用市场。这主要得益于我国的工业化速度和经济发展带来的制造业蓬勃发展和对工业机器人需求的增加,密切相关。未来,我国工业机器人的市场前景还是非常广阔的。

可是,毕竟我我国在这一领域的发展时间相对较短,所以我们的基础还是比较薄弱,尤其是国外发达国家如德国、美国、日本等相比,优势并不明显。

“在关键零部件(如减速器、伺服电机、控制器等)、传感器、材料技术、人机交互等方面,我们与国外的差距比较大。在今后的发展中,以上领域也应该是我们要着重发力的。”封锡盛院士说道。

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在全球工业机器人的成本构成中,35%左右是减速器,20%左右是伺服电机,15%左右是控制器,机械加工本体只占15%左右,其他的部分主要就是应用。

仅从成本占比最大的减速器来看,世界75%的精密减速器市场被日本的哈默纳科和纳博特斯克占领,其中纳博特斯克生产RV减速器,约占60%的份额,哈默纳科生产谐波减速器,约占15%的份额。

搭建水下通讯传输网络,是整个行业的最大难题

水下环境和水上的环境是大不相同的。

陆地上有互联网、GPS等等,通讯十分便利,信号传输也非常的通畅。但是这些因素,在水下都完全不具备。目前最为便捷的电磁波通讯,在水下的折射和传输衰减损耗非常之大。

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一、水平前进的地表波折射图

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图中所示,设E1,H1为空气中电场、磁场分量,E2、H2为水中电场、磁场分量。

二、垂直极化波折射图

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图中所示,E1、H1表示入射波的电磁场强度,E2、H2表示反射波的电磁场强度,E3、H3表示折射波电磁场强度。

三、水平极化波折射图

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由上可知,由于电磁波在水下的折射和损耗,所以在目前大多数水下机器人选择的通讯手段就是靠声波。

不过,声波也同样有着明显的弊端。

“声波的传播速度慢得多,在水下也就每秒1500米左右,远远赶不上接近于光速的电磁波。”

因为这个原因,所以水下机器人在水下的通讯就成了第一大难题。不像在陆地上很容易很方便就可以构建网络,而且带宽很大,目前水下的传输网络都还是个空白。

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尽管现在也有人在做水下通讯网络的搭建,但总的来讲,难度很大,进展也不顺畅。这种情况之下,要想研究水下世界,或是在水下开展工作,怎么办呢?

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