自主水下機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)研究

王海潮，章固權(quán)，趙洪軍，孫雙喜（安徽東風(fēng)機電科技股份有限公司，安徽合肥231202）

自主水下機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)研究

王海潮，章固權(quán)，趙洪軍，孫雙喜（安徽東風(fēng)機電科技股份有限公司，安徽合肥231202）

自主水下機器人機械在當(dāng)下得到了較為廣泛地應(yīng)用，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步，水下機器人的自主化和智能化水平不斷提升。在進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，如何選擇有效地計算機輔助軟件，提升水下機器人的性能，成為現(xiàn)階段水下機器人設(shè)計必須考慮的一個重要議題。本文在對自主水下機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)研究過程中，主要以AUV輔助設(shè)計軟件，結(jié)合流動力學(xué)相關(guān)知識，探討了水下機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。在研究過程中，注重以減少功耗、節(jié)約能源的目的出發(fā)，更好地提升自主水下機器人設(shè)計性能，并保證其在水下能夠進行長時間的工作。

自主化；水下機器人；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

前言

機器人在21世紀(jì)得到了較為廣泛地應(yīng)用，并且在技術(shù)水平不斷提升的情況下，機器人的性能得到了大幅度提升。水下機器人技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，對于促進民用和軍事發(fā)展來說，都起到了至關(guān)重要的作用。水下機器人在應(yīng)用過程中，能夠進行偵查活動，可以對水文進行測量，并且對于魚群探測來說，都發(fā)揮著十分積極的作用。本文在對自主水下機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計問題研究過程中，注重從自主化和智能化角度出發(fā)，探討了水下機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，把握先進的設(shè)計理念，更好地提升水下機器人的性能，使其在運行過程中，能夠具有效率性和質(zhì)量性。

1 自主控制系統(tǒng)設(shè)計

在進行自主控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，要注重保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足實際需要，同時還需要保證水下機器人設(shè)計能夠具有較強的性能。關(guān)于自主控制系統(tǒng)設(shè)計，具體內(nèi)容如下：

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，注重對AUV自主控制系統(tǒng)的有效應(yīng)用，需要對其自身的特性進行把握。AUV是一個典型的混雜系統(tǒng)，在應(yīng)用過程中，具有較強的智能性特征。通過主機下達的命令，能夠?qū)﹄x散事件進行分析和決策，從而發(fā)揮系統(tǒng)功能。關(guān)于AUV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，我們可以從圖1中看出。

如圖1所示，我們可以看出，AUV自主控制系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，會根據(jù)“事件評估與決策線控”對AUV動作進行控制，并且根據(jù)傳感器相關(guān)信息，躲避障礙物，有效地執(zhí)行任務(wù)，滿足人們的實際需要。

1.2 水下機器人形體結(jié)構(gòu)設(shè)計

水下機器人在系統(tǒng)設(shè)計完成后，需要對其形體結(jié)構(gòu)進行有效設(shè)計。在實際設(shè)計過程中，需要考慮到水下機器人可能面臨的復(fù)雜水下環(huán)境，確保形體結(jié)構(gòu)具有一定的針對性，保證其在水下作業(yè)更加方便。水下機器人形體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要注重考慮以下幾點問題：

（1）在機器人形態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要保證水下機器人下水時具有較強的阻力，使其能夠在水下較好的航行和作業(yè)；

（2）水下機器人在工作過程中，由于潛入深度較深，水下壓強較大，這樣一來，要保證水下機器人具有較高的強度，避免形體或是內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到壓強破壞；

圖1 AUV自主控制系統(tǒng)多線程結(jié)構(gòu)圖

（3）在形體設(shè)計過程中，要考慮到機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，保證形體設(shè)計能夠為內(nèi)部空間設(shè)計創(chuàng)造有利條件，保證質(zhì)量分布更加合理，使機器人在水下具有較好的平衡性；

（4）水下機器人設(shè)計過程中，要注重其在水中保持一定的平衡性，并能夠盡可能地減少水下機器人的重量。在進行工藝選擇上，要保證硬件設(shè)計具有較好的性能，提升水下機器人的靈活度，減少水的阻力，使其能夠更好地在水下執(zhí)行任務(wù)[1]。關(guān)于水下機器人的形體結(jié)構(gòu)，通常來說，主要有框架型、流線型等結(jié)構(gòu)，具體我們可以從圖2中看出。

圖2 水下機器人形體結(jié)構(gòu)示意圖

2 自主水下機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)

在進行自主水下機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)過程中，要注重保證設(shè)計更好地滿足實際需要，并能夠?qū)λ聫?fù)雜情況進行考慮。關(guān)于自主水下機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)問題，我們可以從以下幾點進行分析：

2.1 整體方案設(shè)計

在進行設(shè)計過程中，流線型的設(shè)計能夠更好地滿足水下機器人的實際需要，并且能夠保證水下機器人更好地在水下互動，減少水壓阻力。在進行設(shè)計過程中，可將機器人整體尺寸設(shè)為：295mm×85mm×95mm。尺寸設(shè)計完成后，要對機器人的防水性能進行設(shè)計，可采取“整體封閉，局部開放”的設(shè)計思路，保證特定位置具有較好的開放性，能夠在執(zhí)行任務(wù)過程中，發(fā)揮較好的效果。在設(shè)計過程中，像是電路板、攝像頭等處于封閉狀態(tài)，模塊的位置，處于開放狀態(tài)，保證在對設(shè)備進行維修過程中，更加方便[2]。

2.2 設(shè)計流程

在進行設(shè)計過程中，需要對外形進行圖紙設(shè)計。對此，我們可以利用計算機繪圖軟件，對形體設(shè)計進行編輯處理，保證相關(guān)曲線率滿足流線型設(shè)計要求。①進行曲線形體設(shè)計，利用計算機軟件，對大概輪廓進行設(shè)計，并得出相應(yīng)的實體曲面。對實體曲面進行加工，并根據(jù)實際情況，對其進行加厚處理。在厚度設(shè)計過程中，滿足應(yīng)用需求的同時，也需要考慮到水下機器人的安全性，對此，厚度設(shè)計可為5mm；②對水下機器人的功能進行考慮。一般來說，我們可以通過計算機軟件，對其三維實體造型進行確定。關(guān)于其三維實體造型，我們可以從圖3中看出。

圖3 水下機器人三維實體造型示意圖

最后，根據(jù)三維實體造型，對其外殼以及相關(guān)設(shè)備進行設(shè)計，保證機器人制造具有較小的誤差，使其具有較強的性能水平。

2.3 水下機器人推進實現(xiàn)

當(dāng)水下機器人整體造型設(shè)計完成后，為了更好地提升機器人的推進效率，我們可以利用電機螺旋槳的推進方式，實現(xiàn)水下機器人的有效應(yīng)用。在水下機器人推進實現(xiàn)過程中，要注重內(nèi)部空間進行合理設(shè)計，能夠保障電機處于一個合適的位置，可以在頂部、尾部以及兩側(cè)，設(shè)置相應(yīng)的電機，保證水下機器人在應(yīng)用過程中，具有較好的推動力[3]。

3 水下機器人性能提升

當(dāng)水下機器人設(shè)計完成后，為了更好地推進水下機器人的有效應(yīng)用，還需要考慮到水下機器人的防腐和減阻性問題。由于水下機器人需要長時間進行水下作業(yè)，其防腐性能直接影響到了水下機器人的壽命。同時，水下機器人潛水過程中，保證其具有較好的防阻性，也是水下機器人設(shè)計必須考慮的一個關(guān)鍵性議題。

3.1 水下機器人防腐性能

為了更好地提升水下機器人防腐性能，我們以ABS塑料作為水下機器人的外部設(shè)計材料。ABS塑料具有較強的剛性，并且耐熱、抗沖擊，有利于加工。同時，ABS塑料在水下機器人設(shè)計中的應(yīng)用，其性能較為穩(wěn)定，并且二次加工性能較好。選擇ABS塑料，還有一個目的在于更好地提升水下機器人的防阻性，降低水流沖擊對水下機器人的影響，保證水下機器人在作業(yè)過程中，能夠較好的完成任務(wù)。

3.2 減阻材料的應(yīng)用

水下機器人防阻性能的提升，隨著仿生技術(shù)的發(fā)展，其技術(shù)水平得到了顯著提升。在對水下機器人進行減阻處理過程中，可以利用特殊粘膜，降低機器人與水體的摩擦系數(shù)，減小流體阻力。這樣一來，可以將特殊粘膜涂在機器人表面，從而減小水下機器人的運行阻力，有效地降低其功耗，提升機器人的連續(xù)工作時間。減阻材料的應(yīng)用，要注重立足于水下機器人設(shè)計的實際需要，在材料選擇時，能夠具有更好地針對性，以滿足水下機器人節(jié)能減耗的發(fā)展目標(biāo)。

4 結(jié)束語

結(jié)合本文的研究和分析，我們可以看出，在進行自主水下機器人設(shè)計過程中，要注重對性能進行較好的把握，從而更好地保證水下機器人設(shè)計能夠滿足水下作業(yè)需要。因此，在設(shè)計過程中，要注重把握水下機器人的形體結(jié)構(gòu)設(shè)計，以流線型為主，降低水中阻力。同時，要注重對防腐材料和防阻材料進行應(yīng)用，保證水下機器人作業(yè)過程中，能夠減小水流阻力，延長使用壽命，更好地實現(xiàn)節(jié)能發(fā)展目標(biāo)。

[1]宋思利，劉甜甜，康凱燦，陳言俊.自主水下機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2012，04：26～29.

[2]劉甜甜，秦 峰，朱曉勇，張煒軒，陳夢星，陳言俊.水下自主導(dǎo)航機器人系統(tǒng)[J].兵工自動化，2012，11：66～72.

[3]王芬清，何 波，張洪進.20kg級便攜式自主水下機器人（AUV）設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，Z2：183～188.

TP242

A

2095-2066（2016）15-0261-02

2016-5-10