可调节平衡状态的水下机器人设计与制作

张博雅

项目目标

在青少年海洋教育方面，水下机器人课程聚焦水下探索设备，是一门跨学科的项目式课程，涉及物理、通用技术、地理、生物等多个学科，具有极强的拓展性。本项目在简易水下机器人设计制作的基础上，关注“平衡问题”，目标是设计并制作一台可调节平衡状态的水下机器人。

学习环境

本项目涉及水下机器人测试及演示，需使用水池，若无专用训练水池，可用临时水池代替。其他部分学习任务可在通用技术教室、科技制作教室、创客空间等场所进行，项目实施过程中，学生需进行焊接、裁剪等操作，应提醒学生注意安全。

项目材料

PVC 管、PVC 管接头、PVC 管钳、泡沫轴、美工刀、直尺、记号笔、电烙铁、焊锡丝、电线、剥线钳、单刀双掷开关、电源适配器、电工胶布、防水推进器、扎带、护目镜等。在项目实施过程中，应向学生展示相关工具的使用方法。

项目导引：走近水下机器人

活动 1. 了解海洋蕴藏的丰富资源

海洋占地球表面积的72%，蕴藏着丰富的生物资源、矿物资源、动力资源，可将海洋资源与学生熟知的陆地资源进行对比分析，带领学生从数字上认识海洋，认识到研究海洋的重要性，认识到海洋开发仍大有可为，增强学生对海洋的兴趣。

活动 2. 认识人类探索海洋面临的困难

结合学生对游泳、潜水的认知，带领学生一起分析人类的潜水深度、水下作业时间，引导学生注意海洋深度带来的水压、温度、可見度变化和海洋潜在的危险因素等，了解人类探索海洋面临的困难，引出借助工具探索海洋的重要意义。

活动 3. 了解水下机器人的发展历史

借助工具探索海洋最早从载人潜水器（HOV）研制开始，水下机器人包括有缆水下机器人ROV 和无缆水下机器人AUV 等，本环节重点带领学生了解ROV 的发展历史及功能。

任务1. 简易水下机器人的设计与制作

活动 1.了解简易水下机器人的组成

水下机器人一般由结构框架、推进器、控制系统、摄像头及照明装置、机械手等部分组成，还会根据实际需要装载相应的传感器和执行机构。教师引导学生分析各部分的功能，了解相关设计要求；展示各类简易水下机器人图片和视频，引导学生开始构思。

活动 2.了解推进器布局方式

推进器是水下机器人的动力装置，一般采用电机加螺旋桨的形式，螺旋桨靠水流产生推力，电机正转和反转会使推进器产生不同方向的动力。引导学生分析水下机器人在水中需要进行哪些方向的运动？完成这样的运动需要什么方向的力推动？一个能自由运动的水下机器人至少需要3 个推进器，3 个推进器应如何布局（提醒学生推进器是质量较大的部件，布局过程中要考虑重心和平衡）？

活动 3.水下机器人的结构设计

简易水下机器人框架结构采用PVC 管和PVC 管接头拼接而成，易于剪裁和组装。框架起总体支撑作用，需为搭载的器件留安装接口。引导学生分析水下机器人需要搭载哪些部件，进而分析如何布局，以及如何达到稳定和平衡。学生以小组为单位设计水下机器人，绘制草图并进行尺寸标注和说明，分析平衡和重心，依据草图进行框架搭建，注意记录搭建过程中遇到的问题及设计修改过程。

活动 4. 控制器的连接与制作

控制器是简易水下机器人的控制核心，其推进器采用防水直流电机，通过单刀双掷开关实现推进器的正转和反转。本环节将带领学生分析控制电路，绘制控制电路图，提醒学生注意3 个控制开关之间的并联关系，依照电路图进行电线连接，水下部分需注意防水处理。控制盒制作结束后，通电进行功能测试。

活动 5. 水下机器人的测试与改进

水下机器人还需安装浮力材料，学生将水下机器人置于水中，观察平衡状态和浮沉状态，确定浮力材料的体积和位置。引导学生在测试中思考：浮力调节到什么状态最合适？运动状态是否稳定？提醒学生在反复调整、测试、验证的过程中，做好记录，便于总结分析。待水下机器人状态调节好后，让学生操纵水下机器人钩取不同物品，观察水下机器人姿态变化。

任务2. 调节水下机器人的平衡状态

观察发现，在钩取较重的物体时，水下机器人的姿态会发生改变，运动能力也会受到影响，学生能分析出姿态发生变化是因为重心改变，那么重心能不能调整呢？

活动 1. 探究如何调节重心

潜艇、鱼雷、水下机器人等装置上都安装有姿态控制装置，可进行重心调节。学生自行检索文献，总结各类调节重心的方案，分析其共同点：姿态调节装置一般由一个可以运动的装置通过移动重物改变重心。在简易水下机器人整体质量不大的情况下，可通过移动浮力材料改变重心。

活动 2. 机械传动的实现

教师展示常见的机械传动方式（带传动、链传动、齿轮传动、滚珠丝杠传动），引导学生从材料、传动距离、精度、使用环境等方面分析其优缺点，同时分析调节平衡装置的设计需求。其中，链传动和带传动为可选方案，但需注意材料的选择、动力输入、装置尺寸、装置固定等问题。

活 动 3. 调 节 平衡装置的设计与制作

结合设计方案和已有水下机器人，进行调节装置的设计、制作、调试和安装。引导学生对带传动方案进行分析：①传动装置设计（行程、移动方向、安装）；②传动装置动力部分设计（确定电机参数，绘制电路图）；③传动装置安装和固定（需对原框架进行何种改造）；④移动浮心采用什么材料实现（装置的形状、尺寸、固定方式等）。根据设计方案进行初步制作，并在制作过程中，对设计方案进行修正，注意做好记录。

活动 4. 整体测试与总结

学生对改进好的水下机器人进行下水测试，钩取重物，控制调节装置，观察调节效果。

展示与评价

学生以小组为单位进行展示，包括作品功能、工程笔记、小组汇报。课程评价表见表1。