摘 要：本文主要设计并制作了自主水下机器人的外形机械硬件结构。利用AutoCAD、Pro/e等计算机辅助设计软件，结合流体动力学相关理论知识，并综合考虑水下机器人相关部件，诸如驱动电机、摄像头、红外传感器、电子罗盘等部件的使用对水下机器人外形、重量、大小等方面影响，对自主水下机器人的外形等硬件结构进行优化设计，最大限度地减小水下机器人在水中运行时的阻力，减少功耗，节省能源，从而达到延长水下机器人在水下连续工作的运行时间。
关键词：水下机器人；机械结构设计；流线型
中图分类号： 文献标志码：A
Autonomous underwater robot mechanical structure design and implementation
Song Sili1, Liu Tiantian1,Kang Kaican2, Chen Yanjun*1
(1. Engineering Training Center of Shandong University, Jinan, 250002, China; 2. Mechanical Engineering College of Shandong university, Shandong Jinan 250002, China)
Abstract:This paper mainly designed and produced autonomous underwater robot appearance of mechanical hardware structure. Use computer aided design software such as AutoCAD, Pro/e, combined with relevant theoretical knowledge of the fluid mechanics, and comprehensive consideration of the effect of the use of the underwater robot related components, such as motor, cameras, infrared sensors, electronic compass have on the shape, weight and size of underwater robots, to obtain the appearance of the hardware structure, design optimization of the autonomous underwater robot, and the maximum reduce of friction under the water in order to reduce power consumption, save energy and prolong the running time for the underwater robot to work underwater continuously
Key words: Underwater Robot; Design Of Mechanical Structure; Fairshaped
引言
机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，经历几十年的发展已经取得了很大的突破。随着世界经济的发展和科学技术的进步，机器人技术逐渐应用到人类生活的各个领域。而近年来由于海洋资源的探测和开发的迫切需要，水下机器人技术得到了迅速地发展和广泛地应用。水下机器人技术作为机器人技术一个重要分支，综合运用了机械设计、流体动力学、高性能水下动力装置、智能控制和现代水声技术等相关技术。水下机器人技术研究与应用，不管从军用方面还是民用方面都具有重大的意义。在军事上，可以用于探测敌方军事目标，进行侦察活动，也可用于跟踪敌方潜艇，舰艇、航母等各种目标。在民用方面，可以用于水下成像、海洋石油勘探、水下作业、水文测量、水底打捞、鱼群探测、捕鱼、船舶导航和海底地质地貌的勘测等，因而水下机器人技术极具研究价值[1]。本文主要从自主式水下机器人的功能要求出发，结合机械设计和流体动力学原理，并综合考虑快速成型技术等工艺要求对自主式水下机器人的外形机械结构进行优化，得到较为合理的外形和结构。从而为自主式水下机器人的高效运行提供硬件基础。
1 水下机器人形体结构设计要求和常见形式
由于水下机器人的工作环境是水下，因此其机械结构设计相对于一般的机构设计要复杂，需要综合考虑各种因素对自主式水下机器人运行性能和工作要求的影响。
一般情况下，在设计自主式水下机器人形体的选择要考虑以下原则和要求：
(1)阻力小，以利于水下机器人在水下的航行；
(2)足够的强度，能够保证水下机器人在一定水下深度正常工作，而不被破坏；
(3)综合考虑其他相关部件的使用对机器人形体结构的要求；
(4)合理的空间布置与质量分布，保证水下机器人在水中的平衡；
(5)在满足使用要求的前提下，尽可能减小水下机器人机体的重量；
(6)良好的工艺性，便于水下机器人形体的硬件制作[2]；
自主式水下机器人在水中运行时，不可避免的会受到水体粘性阻力的影响，不利于水下机器人的运行速度的提高和灵活运转。所以减小阻力是设计中的一个主要关键点。
常见的水下机器人形体结构有以下几种[3]：
（1）框架型：可以根据使用要求添加相关部件，总体布置方便，但是这种形体结构有一较大的缺点就是：运动时所受阻力大，不利于水下机器人的水下航行。
（2）流线型：利用仿生学原理，仿造鱼类的梭形鱼体，将水下机器人外形加工为旋转体以减小水下机器人水下运行时的阻力，从而减小动力消耗。
（a）为鱼雷型形体结构，这种结构一定程度上减小了水下机器人水下运行时的阻力，同时型腔又为其他相关部件的配置提供了空间。
（b）为枋梭型形体结构，这种形体结构流线性最好，但是形体结构狭长，空间较小，不利于实际应用。
（c）、（d）形体结构在（b）形体结构的基础上，根据实际应用要求作出改动，以适应水下机器人的工程要求。
（3）混合型：将框架型形体结构和流线型结构结合起来，使其既具有良好流线型的水动力特性，又有利于相关部件的空间配置。
2 自主式水下机器人三维实体造型设计
2.1 整体方案设计
考虑到水下机器人的实际应用要求，我们采用了流线型形体结构设计，力争最大程度的减小水下机器人在水下运行时的阻力。另一方面，为了满足水下机器人的其他功能要求，如水下摄像头、红外传感器、驱动电机等功能部件的使用，需要为其他部件的配置提供相应的空间，因而我们综合了流线型形体结构中的（a）和（d）结构模式，来达到使用要求。
我们根据实际使用要求，初步定出自主式水下机器人的整体尺寸：305*90*90。考虑到水下机器人的工作环境是在水里，必须要考虑水下机器人的防水性，因为一旦进水必将带来灾难性后果。另一方面，考虑到水下密封的复杂性和难度，我们采取“整体开放，局部密闭”的设计思路。即整体架构不进行密封处理，水下机器人的整体外壳是开放的，水可以自由进出，而只对水下机器人的一些关键部件采取密封处理，如驱动电机、主控电路板、摄像头等。将水下机器人内部按照功能模块分别独立密封和固定，各模块的连接则通过外包胶皮管密闭的连接线进行连接，这样大大降低了设计难度，同时使系统具有更好的可维护性。在此总体方案确定之后，我们紧接着进行水下机器人形体结构的三维实体设计。
2.2 详细设计流程：
（1）首先根据水下机器人的相应尺寸在草绘平面上绘制出曲面造型所需的样条曲线，并通过样条编辑调整其曲率，使曲率满足流线型设计要求。
图4 方向1上的样条曲线
图5 方向2上的样条曲线
（2）以得到的样条曲线进行边界混合，同时加以约束，比如方向1的第一条链和方向2的第二条链应该分别进行垂直约束，得到所需的实体曲面。
图6 用于形成所需曲面的曲线组
图7 形体曲面
（3）对得到的形体曲面进行相应的剪裁和加厚处理。为了便于驱动电机控制的准确性、快速成型加工的工艺要求和减少材料的耗费，同时又要保证水下机器人形体的强度，我们将形体的厚度设为4mm，从而得到初步的水下机器人三维实体造型。
图8 初步形体曲面
图9 对得到的实体曲面进行加厚处理
（4）根据自主式水下机器人的功能要求，对自主式水下机器人初步的三维实体进一步进行编辑，得到符合使用要求的三维实体造型。
a）形体正上方孔、两侧孔和尾部正中间孔：这四个个孔这主要是为上下、前后和左右驱动的电机提供排水空间，从而产生向上、向前的推力和左右的摆动力，实现自主式水下机器人的上升下潜、前进和左右转弯。
b）底部中间孔：主要提供水下摄像头头部使用空间。
c）底部矩形孔：主要提供红外传感器使用空间。
图10 底部矩形孔
d）水下机器人头部三个小孔：主要提供LED灯的使用空间
图11 水下机器人头部LED灯预留孔
e）底部支架：为后部驱动电机提供定位，便于电机的安装、固定，同时起到支撑电机的作用。
图12 后部电机支架
f）鱼鳍：主要用于自主式水下机器人的平衡和水下的运行。
g）顶部两小孔：其中一个为编程下载线口；方便下载程序；另外一个为预留口，主要是为后期扩展而预留的口。
图13 编程下载线口与预留口
（5）最后，因为我们要通过三维实体造型，利用快速成型机得到所需的外壳，所以必须将必须将机器的制造精度考虑进去，通过采取合理的机械结构，来减小制造机器带来的误差。鉴于此，我们将三维实体造型分为上下盖，并通过自攻螺钉进行联接，达到减小制作加工难度，同时又避免了误差的不利影响的目的。
图14 上盖
图15 下盖
3 水下机器人的推进实现
考虑到水下机器人实现推进的效率和难易程度，我们采用电机螺旋桨进行推进的方式，实现水下机器人的运动。通过合理的空间布置，达到水下机器人进行上升、下潜、前进、后退和左右转弯。
图16 驱动电机的空间布置
4 水下机器人的防腐
水下机器人工作在水体环境中，因而不可避免地需要考虑环境对水下机器人的腐蚀问题。在水下机器人的制作材料上，我们选择了ABS工程塑料。ABS性能特征：刚性好、冲击、耐热、耐化学药品性、机械强度和电器性能优良，易于加工，加工尺寸稳定性和表面光泽好，具有电镀、焊接和粘接等二次加工性能。因为ABS工程材料一方面既具有PC树脂的优良耐热耐候性、尺寸稳定性和耐冲击性能，又具有ABS树脂优良的加工流动性。应用在薄壁及复杂形状制品时，仍然能够保持自身的优异性能。更重要的是这种材料具有良好的耐腐蚀性能，能够很好地满足自主式水下机器人的使用要求。另一方面这种材料容易涂装、着色，还可以进行喷涂金属，这样既能够改善水下机器人形体外观，同时也可以用来加强形体的强度，满足一些高压条件下的使用。
5水下机器人减阻涂料的使用
通过仿生学研究，很多鱼类除了利用自然选择进化而来的流线型鱼体来减少游动时的阻力，同时还通过鱼体表面分泌出一种特殊黏膜，以减小与水体的摩擦系数来进一步减小流体的阻力。因而，我们在设计自主式水下机器人时也考虑到了利用这一现象，对得到的水下机器人实体造型进行表面涂料处理，如自喷漆等的使用，来进一步减小的水下机器人的运行阻力，减少功耗，节省能源，从而达到延长水下机器人在水下连续工作的运行时间。
6 结论
本文从机械设计和流体动力学角度，系统地描述了作为水下机器人形体结构需要满足的设计要求以及自主式水下机器人形体结构的三维实体造型总体设计和详细设计过程。采用本设计方案的水下机器人在2012中国水中机器人大赛中获得亚军，证明本方案能较好地满足水下机器人设计要求。
参考文献:
[1] 蒋玉杰. 泳动型机器人的结构规划及其相关问题研究. 东北大学博士学位论文,2005（1），II.
[2]郝艳仲. 水下机器人运动稳定性的研究. 浙江大学学位论文，2006，11-12.
[3]高延增. 超小型水下机器人关键性能提升技术研究. 华南理工大学博士学位论文.2010,17-19.