郭龙川 陈升
杭州电子科技大学 机械工程学院，浙江杭州 310032
摘要：在水下机器人技术课程的教学过程中，以水下机器人的动力系统委切入点，将泛化的理论知识点凝聚于某个智能机器人装备中。此举可以让学生在具体学习过程中更加直观立体感受到宏观知识点的应用实例，从而加深对理论点的掌握，更好的实现融会贯通。
关键词： 机器人系统 动力系统 分布设计
1 前言
《水下机器人技术》课程是海洋工程与技术专业学生的一门主干专业课，该门课程涉及机械、电气、控制、计算机、通信等交叉领域的专业知识，具体包括水下机器人的总体设计、能源与推进、导航、控制、通信、水下声、光、视觉探测等内容[1-3]。通过本课程的学习，使学生初步了解水下机器人技术所涉及的基本理论、基础知识，以及结构与系统设计方法，设计并开展实验，为学生毕业后从事水下机器人的应用、水下机器人系统的开发和创新设计工作提供初步认识基础，具体的，学生能运用水下机器人的机械结构、系统组成、能源与推进技术、导航与控制技术、水下通信技术、目标探测技术等基础知识，解决复杂海洋工程问题，并结合实际工程应用背景，对复杂海洋装备技术问题进行识别，能综合运用水下机器人的总体设计方法、航行性能优化方法、结构设计方法、自动控制方法，以及软、硬件编程技能等，实现水下机器人的方案设计，能综合运用水下机器人的阻力与推进，导航与控制、水下通信等基本原理，采用科学方法，针对水下机器人涉及的某一工程问题制定实验方案，建立实验系统，按照合理步骤进行实验并获取数据，熟悉水下机器人技术产生的技术及文化背景，理解机器人技术发展与国家海洋工程技术进步以及军方需求之间相互影响与相互促进关系，熟悉国内外水下机器人技术及其产品的特点与发展趋势[4-5]。
这门课在传统的教学过程中，主要分为机械结构和电气控制系统两个部分，在教学实践中，较为分割，从而学生在教学效果中难以达到较高的接受度。基于此，针对水下机器人这门课理论与工程应用的客观需求，教师在教授课堂知识之余，可以寻找莫一特定机器系统对象，有针对性的融合各个部分的理论知识点。本文选取具有代表性的动力系统作为知识点融合的蓝本，进行教学实践，教学效果良好，学生接受度较高，且对机电一体化知识点的融会贯通产生附加好效果。
2、 动力系统教学应用实例介绍
水下机器人的动力系统研究可以分为两个部分：优化机器人外形和优化功能。优化机器人外形是最开始的研究步骤[6-8]。水下机器人通常都有设计水下滑翔翼，机器人在水中的运动模式与滑翔飞机类似，所以需要针对机器人运动向前进方向上的所受到的流体力的分析。但由于无线缆的水下机器人能够携带的能源数量有限，在有限的资源内，需要尽可能完成多的工程，需要能够快速的完成浮潜的运动。水下机器人在水下的运动推进技术一直是水下机器人需要解决的一个重要的问题，目前国内外已存在几种使用比较广泛的推进技术：1.传统螺旋桨推进方式。这种在水下机器人周围布置多个固定轴螺旋桨，通过多个螺旋桨协调工作，改变螺旋桨的转速和转向控制机器人对的姿态和运动，经济实用，但是在一定情况下，受流水升力的影响，其机械效率会大打折扣；2.防水下生物的推进方式。水下生物经过亿万年的进化，其在水下运动的机械效率极高，这也是研究水下生物运动推进的原因，但目前仅仅达到形似的程度，距离推进高效、高机动的目标还有较大的差距；3.混合方式推进。是将传统的推进方式和仿生水下生物推进方式二者的优点结合起来而避其不足的水下推进。这里研究设计的是传统螺旋桨的水下动力系统方式。
3 水下动力系统分布教学策略实例
对于水下机器人推进器布置的方案分析，融合了机械机构的基础理论知识点和现代控制理论的基础理论点。能够使学生较好的融会贯通，其具体动力的布置方式应遵守以下准则：
1.各个推进器的布置应该使推理尽量聚集于一点，这样可以降低控制的难度。由于小型水下机器人外形通常为规则的对称形状推进器的布置也需要尽量靠近载体的形心，这样可以有效地避免水阻力产生的干扰；
2.使用电机做驱动力的推进器，由于转子和定子之间的相互作用，在螺旋桨转动时，会产生一个反作用的力矩，这个力矩是不利的。质量大的水下机器人由于自身较大的转动惯量，可忽略此力矩。但对于小型水下机器人就无法忽略。解决方案可采用推进器中心对称布置，可以相互抵消这个不利的力矩；
3.水下小型机器人的推进器的质量通常占整体水下机器人质量比重的较大比例，对运动的准确和灵活性要求较高，所以不是布置越多推进器越好，合理的数量以及电机的功率可以更加有效的完成整个水下机器人的运动推进；
4.推进器的布置应尽量考虑沿着运动坐标轴平行布置，这种的推进效率最大。
在教学具体实施中，应着重告诉学生，需要除去浮力和重力矩会影响横摇和俯仰两个自由度，理论上只需要布置三个推进器控制水下机器人的前进、回转河浮潜运动，就能实现小型水下机器人的在水下的作业。即推进器的布置应该至少满足前进、回转、横移和潜浮这四个方向运动的要求。
4 结语
将水下动力系统分布案例应用于水下机器人课题教学过程中，针对对应的理论知识点，引入动力系统分布策略的研究，将各个知识点融入进某一具体特定的工业背景中，让学生掌握理论知识的来龙去脉，且初步涉及多学科融合的相关领域。通过此举使学生不仅掌握了理论知识，还有助于提升他们的实际设计能力，更进一步可以激发学生的自主创新能力。对于课程建设，这有助于进一步完善教学资源，扩宽了现有的教学方式。
参考文献：
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[2]武建文,李德成.海洋水下机器人电动机分析[J].微特电机，2004,32(4):16-18.
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[4]任福君，张岚，王殿君.水下机器人的发展现状[J].佳木斯大学学报(自然科学版)，2000，18(4):317-320.
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[8]Zhang, Jiaqi, etal. "Trot Gait Design and CPG Method for a Quadruped Robot." [J]. Journal of Bionic Engineering 11.1(2014):18-25.
作者简介：郭龙川，博士，男，杭州人，现任教于杭州电子科技大学
基金项目：本文受国家自然科学基金(61807010)和浙江省自然科学基金(LQ18F030007)资助