可調(diào)節(jié)平衡狀態(tài)的水下機器人設(shè)計與制作

張博雅

項目目標

在青少年海洋教育方面，水下機器人課程聚焦水下探索設(shè)備，是一門跨學(xué)科的項目式課程，涉及物理、通用技術(shù)、地理、生物等多個學(xué)科，具有極強的拓展性。本項目在簡易水下機器人設(shè)計制作的基礎(chǔ)上，關(guān)注“平衡問題”，目標是設(shè)計并制作一臺可調(diào)節(jié)平衡狀態(tài)的水下機器人。

學(xué)習(xí)環(huán)境

本項目涉及水下機器人測試及演示，需使用水池，若無專用訓(xùn)練水池，可用臨時水池代替。其他部分學(xué)習(xí)任務(wù)可在通用技術(shù)教室、科技制作教室、創(chuàng)客空間等場所進行，項目實施過程中，學(xué)生需進行焊接、裁剪等操作，應(yīng)提醒學(xué)生注意安全。

項目材料

PVC 管、PVC 管接頭、PVC 管鉗、泡沫軸、美工刀、直尺、記號筆、電烙鐵、焊錫絲、電線、剝線鉗、單刀雙擲開關(guān)、電源適配器、電工膠布、防水推進器、扎帶、護目鏡等。在項目實施過程中，應(yīng)向?qū)W生展示相關(guān)工具的使用方法。

項目導(dǎo)引：走近水下機器人

活動 1. 了解海洋蘊藏的豐富資源

海洋占地球表面積的72%，蘊藏著豐富的生物資源、礦物資源、動力資源，可將海洋資源與學(xué)生熟知的陸地資源進行對比分析，帶領(lǐng)學(xué)生從數(shù)字上認識海洋，認識到研究海洋的重要性，認識到海洋開發(fā)仍大有可為，增強學(xué)生對海洋的興趣。

活動 2. 認識人類探索海洋面臨的困難

結(jié)合學(xué)生對游泳、潛水的認知，帶領(lǐng)學(xué)生一起分析人類的潛水深度、水下作業(yè)時間，引導(dǎo)學(xué)生注意海洋深度帶來的水壓、溫度、可見度變化和海洋潛在的危險因素等，了解人類探索海洋面臨的困難，引出借助工具探索海洋的重要意義。

活動 3. 了解水下機器人的發(fā)展歷史

借助工具探索海洋最早從載人潛水器（HOV）研制開始，水下機器人包括有纜水下機器人ROV 和無纜水下機器人AUV 等，本環(huán)節(jié)重點帶領(lǐng)學(xué)生了解ROV 的發(fā)展歷史及功能。

任務(wù)1. 簡易水下機器人的設(shè)計與制作

活動 1.了解簡易水下機器人的組成

水下機器人一般由結(jié)構(gòu)框架、推進器、控制系統(tǒng)、攝像頭及照明裝置、機械手等部分組成，還會根據(jù)實際需要裝載相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)。教師引導(dǎo)學(xué)生分析各部分的功能，了解相關(guān)設(shè)計要求；展示各類簡易水下機器人圖片和視頻，引導(dǎo)學(xué)生開始構(gòu)思。

活動 2.了解推進器布局方式

推進器是水下機器人的動力裝置，一般采用電機加螺旋槳的形式，螺旋槳靠水流產(chǎn)生推力，電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)會使推進器產(chǎn)生不同方向的動力。引導(dǎo)學(xué)生分析水下機器人在水中需要進行哪些方向的運動？完成這樣的運動需要什么方向的力推動？一個能自由運動的水下機器人至少需要3 個推進器，3 個推進器應(yīng)如何布局（提醒學(xué)生推進器是質(zhì)量較大的部件，布局過程中要考慮重心和平衡）？

活動 3.水下機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

簡易水下機器人框架結(jié)構(gòu)采用PVC 管和PVC 管接頭拼接而成，易于剪裁和組裝。框架起總體支撐作用，需為搭載的器件留安裝接口。引導(dǎo)學(xué)生分析水下機器人需要搭載哪些部件，進而分析如何布局，以及如何達到穩(wěn)定和平衡。學(xué)生以小組為單位設(shè)計水下機器人，繪制草圖并進行尺寸標注和說明，分析平衡和重心，依據(jù)草圖進行框架搭建，注意記錄搭建過程中遇到的問題及設(shè)計修改過程。

活動 4. 控制器的連接與制作

控制器是簡易水下機器人的控制核心，其推進器采用防水直流電機，通過單刀雙擲開關(guān)實現(xiàn)推進器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。本環(huán)節(jié)將帶領(lǐng)學(xué)生分析控制電路，繪制控制電路圖，提醒學(xué)生注意3 個控制開關(guān)之間的并聯(lián)關(guān)系，依照電路圖進行電線連接，水下部分需注意防水處理。控制盒制作結(jié)束后，通電進行功能測試。

活動 5. 水下機器人的測試與改進

水下機器人還需安裝浮力材料，學(xué)生將水下機器人置于水中，觀察平衡狀態(tài)和浮沉狀態(tài)，確定浮力材料的體積和位置。引導(dǎo)學(xué)生在測試中思考：浮力調(diào)節(jié)到什么狀態(tài)最合適？運動狀態(tài)是否穩(wěn)定？提醒學(xué)生在反復(fù)調(diào)整、測試、驗證的過程中，做好記錄，便于總結(jié)分析。待水下機器人狀態(tài)調(diào)節(jié)好后，讓學(xué)生操縱水下機器人鉤取不同物品，觀察水下機器人姿態(tài)變化。

任務(wù)2. 調(diào)節(jié)水下機器人的平衡狀態(tài)

觀察發(fā)現(xiàn)，在鉤取較重的物體時，水下機器人的姿態(tài)會發(fā)生改變，運動能力也會受到影響，學(xué)生能分析出姿態(tài)發(fā)生變化是因為重心改變，那么重心能不能調(diào)整呢？

活動 1. 探究如何調(diào)節(jié)重心

潛艇、魚雷、水下機器人等裝置上都安裝有姿態(tài)控制裝置，可進行重心調(diào)節(jié)。學(xué)生自行檢索文獻，總結(jié)各類調(diào)節(jié)重心的方案，分析其共同點：姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置一般由一個可以運動的裝置通過移動重物改變重心。在簡易水下機器人整體質(zhì)量不大的情況下，可通過移動浮力材料改變重心。

活動 2. 機械傳動的實現(xiàn)

教師展示常見的機械傳動方式（帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、滾珠絲杠傳動），引導(dǎo)學(xué)生從材料、傳動距離、精度、使用環(huán)境等方面分析其優(yōu)缺點，同時分析調(diào)節(jié)平衡裝置的設(shè)計需求。其中，鏈傳動和帶傳動為可選方案，但需注意材料的選擇、動力輸入、裝置尺寸、裝置固定等問題。

活 動 3. 調(diào) 節(jié) 平衡裝置的設(shè)計與制作

結(jié)合設(shè)計方案和已有水下機器人，進行調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計、制作、調(diào)試和安裝。引導(dǎo)學(xué)生對帶傳動方案進行分析：①傳動裝置設(shè)計（行程、移動方向、安裝）；②傳動裝置動力部分設(shè)計（確定電機參數(shù)，繪制電路圖）；③傳動裝置安裝和固定（需對原框架進行何種改造）；④移動浮心采用什么材料實現(xiàn)（裝置的形狀、尺寸、固定方式等）。根據(jù)設(shè)計方案進行初步制作，并在制作過程中，對設(shè)計方案進行修正，注意做好記錄。

活動 4. 整體測試與總結(jié)

學(xué)生對改進好的水下機器人進行下水測試，鉤取重物，控制調(diào)節(jié)裝置，觀察調(diào)節(jié)效果。

展示與評價

學(xué)生以小組為單位進行展示，包括作品功能、工程筆記、小組匯報。課程評價表見表1。