華南理工大學教授王振民：水下機器人焊接與增材制造應(yīng)用空間巨大

隨著海洋石油工程、海洋科考、海洋打撈等領(lǐng)域的快速發(fā)展，推動了水下機器人裝備需求的增長，加上政府對于水下機器人的關(guān)注力度加強，資本市場也在逐漸向水下機器人靠攏。目前已經(jīng)有多家水下機器人企業(yè)獲得了高額融資，中國水下機器人生產(chǎn)企業(yè)在不斷壯大。在“OFweek2018中國智能制造創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”上，華南理工大學教授王振民發(fā)表了主題為《水下機器人智能焊接與增材制造》的精彩演講，王振民指出，隨著人們開發(fā)海洋及內(nèi)陸水資源活動的增加，水下機器人焊接與增材制造將打開廣闊的應(yīng)用空間，從海洋島礁建設(shè)、海上油氣田、水壩建設(shè)、大型船艦修復、核泄漏事故應(yīng)急水下修復到軍事海防工程等，水下機器人裝備為重大裝備的建造與自動化維保提供強大助力。

目前，水下機器人市場仍處于起步階段，分析其原因主要是這一領(lǐng)域的資金和技術(shù)門檻較高，特別是用于實際工程作業(yè)的水下機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，研制周期長，產(chǎn)業(yè)化難度大，投資存在一定的風險。還有，國內(nèi)水下機器人市場雖然大，但真正有實力的企業(yè)并不多，產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢也沒有形成，更沒有行業(yè)的巨頭。

水下機器人焊接與增材制造技術(shù)難題亟待破解
由于我國水下機器人焊接和增材制造的研究起步較晚，與國外產(chǎn)生了較大的差距，包括水下作業(yè)的范圍/效率/環(huán)境空間/深度等方面，國外基本上是千米深度起步，我們還處于摸索階段。水下焊接與增材設(shè)備研制周期長、投資大，現(xiàn)階段國內(nèi)大部分仍然采用水下蛙人作業(yè)的方式，現(xiàn)有水下作業(yè)機器人企業(yè)存在生存壓力。

不過，多年來中國在水下機器人技術(shù)上也取得了一些進步。例如，在硬件本體方面，水下移動平臺、水下輪式全位置智能焊接機器人、深潛機器人等均有較大突破；在水下圖像處理算法方面，采用多目立體視覺技術(shù)以及多信息融合傳感獲取水下焊縫圖像三維坐標，為機器人跟蹤焊縫提供位置信息；在高性能的水下機器人焊接電源方面，基于DSC的超高頻逆變式水下機器人專用SiC焊接電源也已經(jīng)取得了突破，逆變頻率可以達到200kHz；適用于水下環(huán)境的焊接材料也已經(jīng)取得了長足的進步。

水下環(huán)境和介質(zhì)比較特殊，在水下焊接中需要解決多項難題。王振民表示，實現(xiàn)水下機器人焊接要突破的技術(shù)難點主要有
(1)粗定位：即水下復雜空間環(huán)境感知、水下視覺驅(qū)動控制等；
(2)軌跡規(guī)劃：智能無軌移動平臺(浮游/履帶/輪式吸附)＋多自由度機械臂在復雜水下環(huán)境的運動軌跡規(guī)劃；
(3)精定位：水下機器視覺、激光/超聲傳感與機械臂的手-眼協(xié)調(diào)控制；
(4)焊接設(shè)備：超高頻水下焊接電源＋潛水送絲裝置＋微型排水裝置＋故障診斷與保護；
(5)質(zhì)量預測：水下焊接電弧行為及熔池動態(tài)模擬與電信號高速分析，專家數(shù)據(jù)庫的建立等等。

中國水下機器人焊接與增材制造大有可為
水下工程的機遇伴隨著挑戰(zhàn)而來，我們必需加速發(fā)展水下智能裝備，才能在未來市場競爭中占得先機。對于未來水下機器人焊接和增材制造的發(fā)展，王振民總結(jié)了如下幾點建議。

首先是要完善創(chuàng)新體系，強化技術(shù)自主研發(fā)。核心技術(shù)靠化緣是要不來的。我們需要建立政產(chǎn)學研用協(xié)同的創(chuàng)新體系，推動前瞻性、共性技術(shù)研究和先進科技成果的轉(zhuǎn)化。水下機器人主要包括仿真、智能控制、水下目標探測與識別、水下導航(定位)、通信、能源系統(tǒng)等六大關(guān)鍵技術(shù)。在開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)的同時，要積極跟蹤國外專利，主動規(guī)避潛在的專利糾紛，同時也要加大對自主知識產(chǎn)權(quán)的保護力度。

其次，要構(gòu)筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展信心，大力支持國產(chǎn)裝備。國產(chǎn)裝備制造商需要深入了解用戶需求，積極展示企業(yè)技術(shù)實力，構(gòu)筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展信心;用戶企業(yè)也需要給予國產(chǎn)裝備容錯和改進的空間，共同推動我國水下機器人焊接與增材制造產(chǎn)業(yè)競爭力的提升。

第三，加大開放力度，積極參與國際合作與競爭。我們需要加強與國際先進企業(yè)的技術(shù)合作，積極開展并購、股權(quán)投資、創(chuàng)業(yè)投資及建立海外研發(fā)中心，或者引導國外企業(yè)在華設(shè)立研發(fā)基地或研發(fā)中心，充分引進、消化、集成國外先進企業(yè)的技術(shù)成果，帶動國內(nèi)研發(fā)水平和工程應(yīng)用能力的整體提升。

其四，要建立支撐體系，完善行業(yè)配套服務(wù)。積極主導或參與國際標準化工作，健全標準體系；完善人才評價體系和激勵機制，打破唯論文、唯職稱、唯學歷等問題，落實科研人員科研成果轉(zhuǎn)化的股權(quán)、期權(quán)激勵和獎勵等收益分配政策；進一步優(yōu)化科研管理，提升科研績效，形成與水下機器人焊接與增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求相適應(yīng)的科研氛圍和生態(tài)環(huán)境。

技術(shù)創(chuàng)新推動產(chǎn)業(yè)的變革
隨著總體控制、智能化傳感器、綜合定位與導航及水下通訊等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，水下機器人的智能化將得到進一步的提高，能在水下工程擔任更加復雜的任務(wù)。對于未來幾年的水下工程趨勢，王振民認為，水下作業(yè)機器人的專業(yè)化程度將越來越高。未來將是針對某個特殊的需求，配置專用設(shè)備，完成特定任務(wù)。所以水下特種機器人的種類會越來越多、分工越來越細，專業(yè)化程度也越來越高。此外，人機交互控制方面將更加成熟。人與機器人協(xié)同作業(yè)，共同完成更加復雜的任務(wù)，是水下作業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢。還有，水下機器人將利用智能傳感器的多信息智能融合和配置技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍的通訊系統(tǒng)，建立機器人相互之間以及機器人與人之間的通信協(xié)作機制，完善人機交互界面，使水下作業(yè)機器人更加穩(wěn)定、實用和可靠。

水下焊接與增材制造是一個多學科綜合交叉的工程，涉及到工藝的規(guī)劃、設(shè)備的實時控制、傳感與檢測、信息處理、機器人運動控制等。其中，智能控制技術(shù)旨在提高水下作業(yè)機器人的自主性，其體系結(jié)構(gòu)相當于人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)。人工智能最本質(zhì)的特征是具備了認知和學習的能力，具備了生成知識和更好地運用知識的能力，成為新一輪科技革命的核心技術(shù)。

王振民認為，新一代人工智能的發(fā)展，將成為推動水下機器人焊接與增材制造技術(shù)發(fā)展的巨大引擎。在水下機器人焊接與增材制造過程中引入人工智能可以從本質(zhì)上提高水下機器人焊接與增材制造系統(tǒng)處理復雜性、不確定性問題的能力，將有良好的發(fā)展前景。此外，加入物聯(lián)網(wǎng)等先進信息技術(shù)，可以把焊接過程中收集到的數(shù)據(jù)在云計算平臺中進行分析決策，實現(xiàn)水下焊接與增材制造現(xiàn)場與后臺控制的互聯(lián)互通。未來，水下焊接與增材制造機器人的發(fā)展目標將是具有感知判斷能力以及具有反饋決策能力的智能焊接機器人。

來源：OFweek機器人網(wǎng)