自主水下机器人机械结构设计及实现研究

王海潮，章固权，赵洪军，孙双喜（安徽东风机电科技股份有限公司，安徽合肥231202）

自主水下机器人机械结构设计及实现研究

王海潮，章固权，赵洪军，孙双喜（安徽东风机电科技股份有限公司，安徽合肥231202）

自主水下机器人机械在当下得到了较为广泛地应用，并且随着科学技术的发展和进步，水下机器人的自主化和智能化水平不断提升。在进行机械结构设计过程中，如何选择有效地计算机辅助软件，提升水下机器人的性能，成为现阶段水下机器人设计必须考虑的一个重要议题。本文在对自主水下机器人机械结构设计及实现研究过程中，主要以AUV辅助设计软件，结合流动力学相关知识，探讨了水下机器人的机械结构设计问题。在研究过程中，注重以减少功耗、节约能源的目的出发，更好地提升自主水下机器人设计性能，并保证其在水下能够进行长时间的工作。

自主化；水下机器人；机械结构设计

前言

机器人在21世纪得到了较为广泛地应用，并且在技术水平不断提升的情况下，机器人的性能得到了大幅度提升。水下机器人技术的研发和应用，对于促进民用和军事发展来说，都起到了至关重要的作用。水下机器人在应用过程中，能够进行侦查活动，可以对水文进行测量，并且对于鱼群探测来说，都发挥着十分积极的作用。本文在对自主水下机器人机械结构设计问题研究过程中，注重从自主化和智能化角度出发，探讨了水下机器人机械结构设计问题，把握先进的设计理念，更好地提升水下机器人的性能，使其在运行过程中，能够具有效率性和质量性。

1 自主控制系统设计

在进行自主控制系统设计过程中，要注重保证系统结构设计满足实际需要，同时还需要保证水下机器人设计能够具有较强的性能。关于自主控制系统设计，具体内容如下：

1.1 系统结构

在进行系统结构设计过程中，注重对AUV自主控制系统的有效应用，需要对其自身的特性进行把握。AUV是一个典型的混杂系统，在应用过程中，具有较强的智能性特征。通过主机下达的命令，能够对离散事件进行分析和决策，从而发挥系统功能。关于AUV系统结构，我们可以从图1中看出。

如图1所示，我们可以看出，AUV自主控制系统在应用过程中，会根据“事件评估与决策线控”对AUV动作进行控制，并且根据传感器相关信息，躲避障碍物，有效地执行任务，满足人们的实际需要。

1.2 水下机器人形体结构设计

水下机器人在系统设计完成后，需要对其形体结构进行有效设计。在实际设计过程中，需要考虑到水下机器人可能面临的复杂水下环境，确保形体结构具有一定的针对性，保证其在水下作业更加方便。水下机器人形体结构设计过程中，要注重考虑以下几点问题：

（1）在机器人形态结构设计过程中，要保证水下机器人下水时具有较强的阻力，使其能够在水下较好的航行和作业；

（2）水下机器人在工作过程中，由于潜入深度较深，水下压强较大，这样一来，要保证水下机器人具有较高的强度，避免形体或是内部结构遭到压强破坏；

图1 AUV自主控制系统多线程结构图

（3）在形体设计过程中，要考虑到机器人的内部结构，保证形体设计能够为内部空间设计创造有利条件，保证质量分布更加合理，使机器人在水下具有较好的平衡性；

（4）水下机器人设计过程中，要注重其在水中保持一定的平衡性，并能够尽可能地减少水下机器人的重量。在进行工艺选择上，要保证硬件设计具有较好的性能，提升水下机器人的灵活度，减少水的阻力，使其能够更好地在水下执行任务[1]。关于水下机器人的形体结构，通常来说，主要有框架型、流线型等结构，具体我们可以从图2中看出。

图2 水下机器人形体结构示意图

2 自主水下机器人机械结构设计及实现

在进行自主水下机器人结构设计及实现过程中，要注重保证设计更好地满足实际需要，并能够对水下复杂情况进行考虑。关于自主水下机器人的机械结构设计及实现问题，我们可以从以下几点进行分析：

2.1 整体方案设计

在进行设计过程中，流线型的设计能够更好地满足水下机器人的实际需要，并且能够保证水下机器人更好地在水下互动，减少水压阻力。在进行设计过程中，可将机器人整体尺寸设为：295mm×85mm×95mm。尺寸设计完成后，要对机器人的防水性能进行设计，可采取“整体封闭，局部开放”的设计思路，保证特定位置具有较好的开放性，能够在执行任务过程中，发挥较好的效果。在设计过程中，像是电路板、摄像头等处于封闭状态，模块的位置，处于开放状态，保证在对设备进行维修过程中，更加方便[2]。

2.2 设计流程

在进行设计过程中，需要对外形进行图纸设计。对此，我们可以利用计算机绘图软件，对形体设计进行编辑处理，保证相关曲线率满足流线型设计要求。①进行曲线形体设计，利用计算机软件，对大概轮廓进行设计，并得出相应的实体曲面。对实体曲面进行加工，并根据实际情况，对其进行加厚处理。在厚度设计过程中，满足应用需求的同时，也需要考虑到水下机器人的安全性，对此，厚度设计可为5mm；②对水下机器人的功能进行考虑。一般来说，我们可以通过计算机软件，对其三维实体造型进行确定。关于其三维实体造型，我们可以从图3中看出。

图3 水下机器人三维实体造型示意图

最后，根据三维实体造型，对其外壳以及相关设备进行设计，保证机器人制造具有较小的误差，使其具有较强的性能水平。

2.3 水下机器人推进实现

当水下机器人整体造型设计完成后，为了更好地提升机器人的推进效率，我们可以利用电机螺旋桨的推进方式，实现水下机器人的有效应用。在水下机器人推进实现过程中，要注重内部空间进行合理设计，能够保障电机处于一个合适的位置，可以在顶部、尾部以及两侧，设置相应的电机，保证水下机器人在应用过程中，具有较好的推动力[3]。

3 水下机器人性能提升

当水下机器人设计完成后，为了更好地推进水下机器人的有效应用，还需要考虑到水下机器人的防腐和减阻性问题。由于水下机器人需要长时间进行水下作业，其防腐性能直接影响到了水下机器人的寿命。同时，水下机器人潜水过程中，保证其具有较好的防阻性，也是水下机器人设计必须考虑的一个关键性议题。

3.1 水下机器人防腐性能

为了更好地提升水下机器人防腐性能，我们以ABS塑料作为水下机器人的外部设计材料。ABS塑料具有较强的刚性，并且耐热、抗冲击，有利于加工。同时，ABS塑料在水下机器人设计中的应用，其性能较为稳定，并且二次加工性能较好。选择ABS塑料，还有一个目的在于更好地提升水下机器人的防阻性，降低水流冲击对水下机器人的影响，保证水下机器人在作业过程中，能够较好的完成任务。

3.2 减阻材料的应用

水下机器人防阻性能的提升，随着仿生技术的发展，其技术水平得到了显著提升。在对水下机器人进行减阻处理过程中，可以利用特殊粘膜，降低机器人与水体的摩擦系数，减小流体阻力。这样一来，可以将特殊粘膜涂在机器人表面，从而减小水下机器人的运行阻力，有效地降低其功耗，提升机器人的连续工作时间。减阻材料的应用，要注重立足于水下机器人设计的实际需要，在材料选择时，能够具有更好地针对性，以满足水下机器人节能减耗的发展目标。

4 结束语

结合本文的研究和分析，我们可以看出，在进行自主水下机器人设计过程中，要注重对性能进行较好的把握，从而更好地保证水下机器人设计能够满足水下作业需要。因此，在设计过程中，要注重把握水下机器人的形体结构设计，以流线型为主，降低水中阻力。同时，要注重对防腐材料和防阻材料进行应用，保证水下机器人作业过程中，能够减小水流阻力，延长使用寿命，更好地实现节能发展目标。

[1]宋思利，刘甜甜，康凯灿，陈言俊.自主水下机器人机械结构设计与实现[J].机器人技术与应用，2012，04：26～29.

[2]刘甜甜，秦 峰，朱晓勇，张炜轩，陈梦星，陈言俊.水下自主导航机器人系统[J].兵工自动化，2012，11：66～72.

[3]王芬清，何 波，张洪进.20kg级便携式自主水下机器人（AUV）设计与实现[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2011，Z2：183～188.

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2095-2066（2016）15-0261-02

2016-5-10