一種小型水下機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜宇輝

摘要：近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了飛速的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)科學(xué)技術(shù)水平也得到了大量的提高，應(yīng)用領(lǐng)域也大面積的增加，為人類對(duì)各個(gè)未知領(lǐng)域的探索提供了有力的保障與技術(shù)支撐，應(yīng)用小型水下機(jī)器人平臺(tái)對(duì)海洋探索作業(yè)是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。文將某一機(jī)械公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的300米水下機(jī)器人平臺(tái)為例，淺析小型水下機(jī)器人平臺(tái)從最初的概念設(shè)計(jì)到最后實(shí)現(xiàn)過(guò)程。其公司主要生產(chǎn)儀器儀表及自動(dòng)機(jī)設(shè)備，精通機(jī)械設(shè)計(jì)、伺服控制及模擬電路設(shè)計(jì)， 300米水下機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)使最新的研究課題。經(jīng)過(guò)多次更改、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終確定的水下機(jī)器人平臺(tái)方案具備成本低、功耗低、可移動(dòng)性和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。主要由水下操作機(jī)械、中繼浮標(biāo)和控制終端三大部分組成，還包含傳感器、攝像頭、探測(cè)器等小型設(shè)備，確保可以在300米的水下環(huán)境進(jìn)行有效的探測(cè)與障礙清理。攝像頭和傳感器對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行掃描，通過(guò)中繼浮把結(jié)果傳遞到控制終端上，并由控制終端對(duì)水下機(jī)械平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控作業(yè)。

關(guān)鍵詞：小型;水下機(jī)器人;平臺(tái);設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);智能化

引言：隨著時(shí)代的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到了普遍地推廣應(yīng)用，最終導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)全球化，制造產(chǎn)業(yè)面臨著極其劇烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展增加了人們對(duì)未知領(lǐng)域探索的欲望，人是陸地上的霸主，對(duì)海洋有著極強(qiáng)的畏懼心理和超強(qiáng)的探索欲望，目前水下機(jī)器人平臺(tái)制造行業(yè)已經(jīng)受到各大制造企業(yè)的重視，并且廣泛地應(yīng)用開(kāi)來(lái)，主要應(yīng)用與水下探測(cè)和簡(jiǎn)單的障礙清理工作等。隨著機(jī)械制造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，水下作業(yè)機(jī)器人越來(lái)越智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化是一個(gè)不可避免的趨勢(shì)，其能夠大幅度的提升制造企業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量，也能夠增強(qiáng)制造企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文將某一機(jī)械公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的300米水下機(jī)器人平臺(tái)為例，從水下機(jī)器人部件組成、作業(yè)流程以及所具備的特性三方面作為切入點(diǎn)，淺析一種小型水下機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

一、小型水下機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)意義

想要深入研究小型水下機(jī)器人平臺(tái)的應(yīng)用，就首先需要了解小型水下機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)意義與組成結(jié)構(gòu)。科技不斷發(fā)展，人們的生活領(lǐng)域在不斷地?cái)U(kuò)大，已經(jīng)不滿足于陸地生活域資源，地球表面積有百分之七十都是由海洋覆蓋，水下有大量的資源等待著開(kāi)發(fā)，但是人類是陸地生物，在水下無(wú)法呼吸生存，所以有很多水下工作都難以開(kāi)展落實(shí)。智能系統(tǒng)是當(dāng)代社會(huì)發(fā)展的重要成果物，國(guó)內(nèi)外的國(guó)家充分認(rèn)識(shí)到了用水下機(jī)器人平臺(tái)代替人工水下作業(yè)的重要性。水下的環(huán)境是未知的，充滿了不定因素與危險(xiǎn)，水下機(jī)器人平臺(tái)的承受能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載人載人機(jī)械系統(tǒng)，能夠完成許多人無(wú)法完成的工作任務(wù)，因此小型水下機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)水下資源開(kāi)發(fā)與建設(shè)有著重大且深遠(yuǎn)的影響，是不可割舍的重要技術(shù)。小型水下機(jī)器人平臺(tái)不僅能夠開(kāi)發(fā)水下資源，建設(shè)水下工程和探索水下環(huán)境等，還能幫助人類完成水下救援以及潛艇活動(dòng)監(jiān)測(cè)等工作，在民用、商業(yè)和軍方等各領(lǐng)域都有著廣泛的作用和發(fā)展前景。受國(guó)家智能技術(shù)水平的限制，目前的小型水下機(jī)器人平臺(tái)還達(dá)不到我們預(yù)想的那樣全能，只是簡(jiǎn)單地設(shè)備集成組合，成本極高，并且無(wú)法靈活的運(yùn)作，只具備簡(jiǎn)單的功能，完成為數(shù)不多的幾個(gè)簡(jiǎn)單工作，同時(shí)在投入使用的時(shí)候還受到各種環(huán)境限制，移動(dòng)性和延展性較差，所以小型水下機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是一個(gè)迫在眉睫的探究課題。本文舉例的小型水下機(jī)器人平臺(tái)是一個(gè)新的升級(jí)版，考慮到了方方面面的限制與問(wèn)題，最終設(shè)計(jì)出一款成本低、功耗低、可移動(dòng)性和擴(kuò)展性強(qiáng)的小型水下機(jī)器人平臺(tái)，可以充分完成各種水下探測(cè)與清理工作。

二、整體架構(gòu)以及硬件設(shè)計(jì)

為了保證小型水下機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)作的靈活，在水下選擇了光纖，水上無(wú)線的方式來(lái)控制機(jī)器人。其整體框架主要由水下操作機(jī)械、中繼浮標(biāo)和控制終端三大部分組成，還包含傳感器、攝像頭、探測(cè)器等小型設(shè)備以及完善的控制軟件網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，確保可以在300米的水下環(huán)境進(jìn)行有效的探測(cè)與障礙清理。水下的攝像頭和探測(cè)儀等設(shè)備收集數(shù)據(jù)，通過(guò)水中光纖傳遞給水面上的中繼浮標(biāo)，然后經(jīng)過(guò)無(wú)線方式傳達(dá)給控制終端，人們通過(guò)數(shù)據(jù)和影像做出相應(yīng)的判斷并用控制終端發(fā)射命令，遠(yuǎn)程遙控水下操作機(jī)械完成任務(wù)。

水下操作機(jī)械也是一個(gè)復(fù)雜的集成系統(tǒng)，主要集成了機(jī)械結(jié)構(gòu)、光端機(jī)、主控板、推進(jìn)器、攝像頭以及探測(cè)傳感器等設(shè)備。使水下操作機(jī)械有效完成任務(wù)就需要具備動(dòng)力模塊、信息收集模塊、信號(hào)傳遞模塊和電力模塊等共同合作。由于這部分長(zhǎng)期在水下作業(yè)，需要需要做好防水、防漏電措施，在外觀上充分考慮水壓等因素，選取曲線造型，減少水下帶來(lái)的阻力。在核心艙中安裝了攝像頭和六個(gè)電機(jī)裝置，其中兩個(gè)電機(jī)控制機(jī)械的水平方向移動(dòng)，四個(gè)電機(jī)裝置來(lái)給機(jī)械垂直方向運(yùn)動(dòng)提供推動(dòng)力。機(jī)械手臂關(guān)節(jié)采取了可三百六十度旋轉(zhuǎn)裝置，增強(qiáng)了機(jī)械手臂的靈活程度，并安裝了防水控制設(shè)備，控制機(jī)械手臂的開(kāi)合與抓取。核心艙的主控板的主要工作為收集攝像頭和傳感器采集的數(shù)據(jù)和影響，還有上方終端傳達(dá)的命令信號(hào)，控制機(jī)械手臂以及其他裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。光端機(jī)也是一個(gè)必不可少的裝備，主要用于無(wú)線裝置和光纖之間的數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞。中繼浮標(biāo)位于水面之上，相當(dāng)于數(shù)據(jù)交換的中通樞紐，是信息數(shù)據(jù)和命令信號(hào)必經(jīng)之地，主要包含光端機(jī)、電池組、主控板和無(wú)線模塊四個(gè)部分，主要的功能為傳遞信息數(shù)據(jù)和控制終端傳遞的命令信號(hào)，并且為水下機(jī)器人提供工作電力。控制終端是工作人員實(shí)際操作的部分，主要由控制手柄、無(wú)線收發(fā)模塊和計(jì)算機(jī)組成，遠(yuǎn)程遙控手柄通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)相連，工作人員通過(guò)操作遠(yuǎn)程遙控手柄來(lái)控制水下機(jī)械人完成任務(wù)。在計(jì)算機(jī)界面上能夠顯示水下機(jī)器人探測(cè)到的信息數(shù)據(jù)和攝像頭拍攝到的畫(huà)面，工作人員通過(guò)這些信息數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的判斷決策。數(shù)據(jù)的傳遞交換通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)：綜上所述，該公司實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)據(jù)采集、環(huán)境勘探、信息反饋、接收命令和控制驅(qū)動(dòng)等多功能為一體的智能化小型水下機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)能夠順利有效的完成水下環(huán)境勘探和障礙清理任務(wù)，在軟件設(shè)計(jì)方面可以進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，打破環(huán)境的限制，實(shí)現(xiàn)民用、商業(yè)和軍隊(duì)多方面應(yīng)用價(jià)值。

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