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

陶珍

【摘要】機器人技術(shù)的發(fā)展在當(dāng)前智能技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的助力下已經(jīng)取得了迅速和重要的突破，并且已經(jīng)滲透到了生產(chǎn)生活和科學(xué)研究的各個領(lǐng)域，為社會的發(fā)展注入了新的動力。水下機器人作為機器人領(lǐng)域的一項重要研究內(nèi)容，在水下探測和資源勘探等方面發(fā)揮著重要的作用，本文通過對自主水下機器人各個方面機械結(jié)構(gòu)的介紹，對其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的技術(shù)進行分析。

【關(guān)鍵詞】水下機器人；機械結(jié)構(gòu)；設(shè)計與實現(xiàn)

一、水下機器人的發(fā)展與應(yīng)用

水下機器人技術(shù)是機器人領(lǐng)域與水下偵查和水文探測等水下作業(yè)方面技術(shù)的結(jié)合所形成的一門新興學(xué)科，對水下探測、資源勘探、海上導(dǎo)航、與目標偵查等民用和軍用相應(yīng)范圍內(nèi)各類水下任務(wù)的執(zhí)行都有著十分重要的意義。水下機器人是在當(dāng)前較為成熟的機器人技術(shù)在特定的水下作業(yè)環(huán)境中發(fā)展而來的技術(shù)，其技術(shù)理論涉及了機械設(shè)計、水下動力、流體力學(xué)和智能控制等多方面的相關(guān)技術(shù)。

水下機器人由于工作環(huán)境的特殊性，在相關(guān)的外形設(shè)計和結(jié)構(gòu)布局等方面也與常規(guī)的機器人有所區(qū)別，具體來說，水下機器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面有著以下幾點主要的要求：阻力小，更有利于水下機器人的水下運動；結(jié)構(gòu)和材料強度能夠應(yīng)對一定水深下的壓強變化；結(jié)構(gòu)布局、性能指標和制造工藝等更加符合水下作業(yè)環(huán)境等。

二、水下機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

（一）水下機器人的設(shè)計要求

當(dāng)前，水下機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計可以分為框架型結(jié)構(gòu)、流線型結(jié)構(gòu)以及混合型結(jié)構(gòu)。其中框架型的結(jié)構(gòu)設(shè)計是指在實現(xiàn)水下機器人大的基本功能框架的基礎(chǔ)上，按照具體的實際需求和工作環(huán)境進行相關(guān)機械部件的增添，使機器人的整體結(jié)構(gòu)布局更加容易進行調(diào)整，但是存在著體型笨重，水下阻力較大等缺點影響了該類型水下機器人的實際使用性能；流線型的結(jié)構(gòu)設(shè)計是利用了仿生學(xué)的原理技術(shù)，將水下機器人的外形設(shè)計成類似魚類的形狀例如魚雷形狀和枋梭形狀，來減小其在水下工作過程中的運動阻力，在一定程度上減小了運行能耗并延長了水下的工作時間，滿足了更多水下任務(wù)的工作需求；混合型的結(jié)構(gòu)設(shè)計是將框架型結(jié)構(gòu)設(shè)計和流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合形成的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，綜合了以上兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點和優(yōu)勢，使水下機器人既具備了一定的結(jié)構(gòu)部件可調(diào)性，又擁有了水下作業(yè)時良好的機動性能和續(xù)航能力。

（二）整體設(shè)計方案與流程

在對水下機器人的設(shè)計要求和主要的機械結(jié)構(gòu)的形式進行了分析之后，綜合水下機器人的具體工作環(huán)境和實際的設(shè)計實現(xiàn)難度，首先選取了流線型的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)作為主要的設(shè)計思路，在降低水下運行成本的同時為了實現(xiàn)水下機器人的主要功能，例如水下探測、傳感以及相關(guān)數(shù)據(jù)的處理等，也要注意相關(guān)功能器件和模塊的布局以及基本的防水性設(shè)計。因此，在確定了水下機器人基本的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸等方面的指標參數(shù)之后，對水下機器人實際工作環(huán)境進行考察以確定其防水性設(shè)計方案的工作也十分重要，一般的設(shè)計思路是首先保證機器人內(nèi)部重要部件和模塊的密閉性，在此基礎(chǔ)上對機器人的其它結(jié)構(gòu)進行靈活設(shè)計，在一定程度上可以降低實際的設(shè)計難度和后期的維護成本。

具體的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計流程可以分為以下幾個步驟：選用合適的計算機繪圖軟件進行設(shè)計，根據(jù)既定的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸要求進行機器人的輪廓繪制；并且根據(jù)實際情況和需求進行方案調(diào)整和剪裁加厚等優(yōu)化設(shè)計；最后應(yīng)考慮實際組裝過程中機器人大量的內(nèi)部器件之間的聯(lián)系與布局，通過不斷的模擬和試驗得到更加精確和優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果，避免因為設(shè)計缺陷而對水下機器人的實際工作性能造成不利影響。

（三）水下機器人的性能實現(xiàn)

在對水下機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成之后，就應(yīng)該考慮水下機器人在實際工作中需要面對的問題和相應(yīng)的解決方法。首先是機器人的推進即活動能力的實現(xiàn)，應(yīng)該對機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力電機的放置位置進行合理分配，保證水下機器人能夠在不同的工作環(huán)境中都有充足的動力支持，一般的方式是分別在機器人的頂部、尾部及兩側(cè)布置電機實現(xiàn)高效的驅(qū)動。另外，盡管采用了流線型的仿生減阻設(shè)計，水下機器人在行動過程中所遇到的阻力問題依然存在，為此，在后期的設(shè)計和改進中，如何實現(xiàn)更小的水阻仍是一個關(guān)鍵的問題，這對于水下機器人的工作性能和續(xù)航能力都具有重要的影響，目前較為主流和簡便的方法是在機器人表面覆蓋特殊涂層以減小機器人表面與水之間的摩擦系數(shù)從而減小阻力。最后，考慮到工作環(huán)境的復(fù)雜性和工作時間的不定性，水下機器人的耐腐蝕性也是在設(shè)計中需要解決的重要問題，這需要從選取具有耐腐蝕性表面材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計等多方面進行優(yōu)化，基于水下機器人所面對的實際工作環(huán)境來全面提高水下機器人實際工作中的性能表現(xiàn)。

三、結(jié)語

水下機器人的出現(xiàn)對于相關(guān)水下作業(yè)和海洋探測領(lǐng)域來說具有重要的意義，而機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)對于水下機器人的工作性能來說十分關(guān)鍵。把握好水下機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方面，對形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸、材料和布局等進行科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計，同時注重解決實際工作過程中可能面臨的各類問題，保證水下機器人應(yīng)用功能的實現(xiàn)和工作性能的提升。

參考文獻

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