在一个恼人的下雨天醒来，你拿起床边的遥控器按了按，液晶屏窗户上瞬间呈现出三亚迷人的阳光与海滩。机器人管家把热乎乎的早餐端上饭桌，你一边享用着，一边戴上智能眼镜，在眼镜腿上轻敲几下，电子墙上出现了好友的脸，你们愉快地约好中午碰面的地点，跟机器人管家简单交谈后，开着自动驾驶汽车出门赴会去了。而此刻，一台清洁无人机正带着紫外线灯在你家中到处飞行消毒。

这看似脑洞大开画面，恰恰符合英国未来学家伊安·皮尔逊对2050年人类的家的预测。皮尔逊早在2000年就预言：在21世纪上半叶，人类将同自己制造的机器人共同生活^[1]。转眼间，距离他所说的这句话已经过去了24年，虽然这些奇思妙想还未能完全实现，但我们已经能够隐隐约约看见它们的轮廓。目前，机器人在不同领域，如制造业、医疗、餐饮和军事等，都有了广泛应用。至于在广袤无垠的蔚蓝海洋里，一场如火如荼的科技革命也正在发生。

1 从科幻走向现实

“机器人”(Robot) 来自于捷克语“Robota”，意为“劳役、苦工”，最早出自于1920年捷克作家卡雷尔·恰佩克（Karel Čapek）的三幕剧《罗索姆的万能机器人》。美国机器人协会 (RIA) 将其定义为“是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手”。

这半个世纪以来，机器人始终以一种近似于魔幻的形式出现在科幻电影中。其中，著名的《星球大战》系列电影中形形色色的机器人就成功俘获了全球影迷的喜爱，它们充当着仆人、飞行员、医生、技师甚至士兵，无不承载着人类对机器人的浪漫主义想象力。

▲ 《星球大战》系列电影中深受喜爱的机器人

(图片编自网络)

曾几何时只存在于科幻电影中的机器人，如今已经深入我们生活的各个方面。从工业生产线上的自动化机械臂，到家庭中的智能清洁机器人，从医疗领域中的手术助手，到危险地带中搜救被困者的救援机器人等，它们正在逐步提升着我们的工作效率和生活品质。

▲ 机器人在生活方方面面的应用 (图片来自网络)

而最近，“机器人”更是成为了各大搜索引擎的热搜词。特斯拉CEO埃隆·马斯克曾大胆预测，未来地球上的机器人的数量将会超过人类的数量。而在2024年的3月14日，美国明星机器人创业公司Figure更是发布了名为“Figure01”的机器人，它可以听从命令，递给人类苹果、将杯子和盘子归置放在沥水架上，并能与人类全面对话，可以说机器人技术已经是next level了。

(图片来自网络)

2应运而生的洗网机器人

机器人的种类繁多，在各行各业中各显神通。近年来，随着科学技术的不断发展，国内外也出现了不少水下机器人，它们为人类带来极大的便利。

我国是海洋大国，但近海养殖日趋饱和，养殖压力不断攀升，资源和空间问题日益加剧，使得深远海养殖成为海水养殖的一大必然趋势，而网箱则是深海养殖中不可或缺的组成。可由于网箱长期浸泡在数十米深的海水中，网衣表面会附着大量的藻类生物及其他污染物，网眼一旦被堵塞，箱内外水体的交换就会受阻，网箱内养殖水体的溶氧量下降，容易导致病害的发生，不利于养殖鱼类的健康生长；此外，大量的附着物还会增加网箱的重量，损坏网衣，增加鱼群逃逸的风险。

因此，为确保鱼类的正常生长和养殖效益，必须及时对网箱进行清洗。但如何清洗长满贝类、藻类的网箱，既不损害网箱材料，也不会对海洋环境造成污染呢？这便成为了科研人员不得不解决的难题。

科技发展的目的归根到底就是成本^[2]。深海网箱清洗的高成本涵盖了设备投资、人员培训、维护费用及物流支持，雇佣传统的潜水员对网箱进行清洁，不仅成本高昂，且具有风险。于是，洗网机器人顺理成章担起了深海网箱清洗的重任，成为深海网箱的“清道夫”。它不仅解放了人类的双手，还提高了操作的精确性和安全性，在深远海养殖的环境中表现出巨大的潜力。

3洗网机器人动力学仿真平台

1) 仿真王炸：ROS＋Gazebo联合仿真

ROS在机器人仿真中独占鳌头，因其模块化、可扩展性和强大的仿真工具支持。ROS提供的丰富库和跨平台兼容性使其成为研究和开发的首选。社区支持和开源性进一步增强了其领导地位，为机器人仿真和控制算法的设计、测试和优化提供了理想环境。

而在机器人仿真领域，Gazebo以其直观易用的三维仿真界面和多种物理引擎支持著称。

结合ROS和Gazebo的优势，其开源性使其与ROS完全兼容，可轻松利用ROS通信接口和工具。这强大组合为机器人控制器开发提供了更便捷、准确的仿真环境，提升了开发效率和准确性。基于两者的强强结合，设计了下图的仿真系统架构。

▲ 仿真系统架构

2) 结构建模：机器人结构搭建

结构对机器人动力学和控制性能有非常重要的影响。结构尺寸、外表面影响碰撞、摩擦、附加质量等参数，推进器布置影响机器人的姿态控制，重心浮心位置影响机器人的稳定性，质量和惯量决定机器人的响应速度，上述因素综合影响着机器人的运动性能和操作能力。

在机器人结构方面，使用SolidWorks软件建模出机器人的本体、推进器、吸盘三个部分作为仿真的机器人结构，并对其装配得到完整的机器人结构模型，再通过URDF插件将机器人的三维模型文件导出为仿真所需的机器人描述文件。其整个搭建过程如下图所示。

▲ 洗网机器人结构搭建流程

3) 深度剖析：机器人动力学模型构建

一旦洗网机器人的受力已知，就可模拟机器人在水下无输入情况下的运动轨迹，还可模拟机器人在控制作用下的运动轨迹，有助于深入理解洗网机器人的运动行为，设计及验证控制器性能。洗网机器人在工作过程中受力复杂，本文仅考虑影响较大的力，包括浮力和重力、水阻尼力附加质量效应、水流作用、推进器及洗盘作用。忽略了脐带缆、湍流、涡流等的影响。

将仿真中浮力和重力的相互作用作为研究基础，逐步引入阻尼和附加质量。最终，在受到水流噪声干扰的环境进行全面仿真测试。

▲  流场图

4触手可及的机器人白日梦

有人说，我们正处于以人工智能为代表的第四次工业革命的浪潮中。毫无疑问，机器人等科学技术在21世纪给人类带来的挑战，会比蒸汽机、电力和计算机带来的挑战大得多。

在许多领域，机器人正以高效、精准和不知疲倦的工作方式，把人们从单调、繁重和危险的工作中解救出来。随着日后科学技术的突破，科幻电影中“机器人时代”必将到来，机器人将不仅走进千家万户，替人类洗衣做饭、消愁解忧，还将助力行业转型升级，完成越来越多、越来越复杂的工作任务。就拿深远海养殖来说，未来，更多诸如洗网机器人这样的水下机器人将派上用场，海洋牧场得以深耕，养殖产量产值双提升，我们的海洋也将因此变得更加广阔。

参考文献

[1]谷利源.英未来学家预言新世纪机器人的发展[N/OL]. 光明日报, 2000-01- 05.https://www.gmw.cn/01gmrb/2000-01/05/GB/01%5E18292%5E8%5EGMB4-013.htm.

[2] 阿杰伊·阿格拉沃尔, 乔舒亚·甘斯, 阿维·戈德法布. 机器预言家: 人工智能的极简经济学[M]. 长沙: 湖南科学技术出版社, 2018: 1-232.

邢旺, 黄小华, 李根*, 庞国良, 袁太平. 基于Gazebo的深海网箱洗网机器人动力学仿真平台搭建[J]. 南方水产科学, 2024, 20(1): 1-10. 

编辑｜章丽萍