## 一、項目介绍
摘 要
针对湖泊水下考古探测的特殊需求，解决传统探测设备适配性差、易扰动文物、探测精度不足的问题，设计一款湖泊水下考古探测机器人。采用欠驱动结构设计机器人本体，结合SolidWorks完成三维建模，通过理论计算确定耐压壳体、螺旋桨推进器、舵机传动机构等核心部件的参数，利用ANSYS开展结构强度仿真校核，借助STAR-CCM +完成不同水深与航速下的流体仿真分析。结果表明，该机器人最大工作水深 300m、探测精度±5mm，壳体结构强度与流体动力特性均满足湖泊水下考古作业要求，低速航行时水流扰动小，可有效保护水下文物。本设计为湖泊水下考古探测提供了一种高效、安全的技术装备，具备实际应用价值。
关键词：湖泊水下考古；探测机器人；结构设计；强度校核；流体仿真

研究背景及意义
全球文化遗产保护理念不断深化，湖泊内陆水域水下遗址成为研究人类文明演进的重要对象。我国湖泊分布广泛，从青藏高原的高原湖泊到东部平原的河迹湖，均蕴藏着丰富的古代人类活动遗迹，其中长江中下游湖泊群的古代水利工程与航运遗址，对区域文明发展研究具有不可替代的价值。
传统湖泊水下考古探测存在诸多明显短板。人工潜水受生理条件限制，无法在50米以上深水区或复杂水体中长时间作业，且安全风险极高；常规水下探测设备适配性不足，载人潜水器作业成本高、人力投入大，难以开展大面积系统性勘查；传统遥控水下机器人功耗高、续航短，其机械结构易扰动湖泊淤泥底质与富营养化水体，既降低探测精度，还可能对水下文物造成二次损害。此外，现有设备在低能见度、水流紊乱的湖泊环境中感知能力有限，导致文物遗址精准定位与细节识别难度较大，严重制约了湖泊水下考古的效率与深度。
水下机器人技术的发展为湖泊水下考古探测提供了新的路径。国外REMUS系列无人水下航行器已实现不同水深的环境监测与探测，国内“海人一号”“潜龙系列”“海马号”等水下机器人在深海勘探、海底作业中取得显著突破，但针对湖泊浅水环境、底泥多、文物易损等特点的专用探测机器人研究仍显不足。因此，研发一款适配湖泊水下考古需求的专用探测机器人，对于提升考古效率、保护水下文物具有重要的现实意义与应用价值。

研究内容
1.查阅国内外水下机器人、湖泊水下考古相关论文及专利资料，明确湖泊水下考古的核心需求，结合微小型欠驱动水下机器人设计经验，确定机器人的核心设计参数与初步原理方案；
2.完成机器人本体、舵机传动机构、运动控制系统及考古探测模块的详细结构设计，确定零件形状、尺寸及加工要求，重点优化密封结构与低速运动性能；
3.开展核心零部件参数计算与校核，包括耐压壳体尺寸与壁厚计算、动力源选型、舵机传动机构与推进器参数校核等，确保满足使用性能与文物保护要求；
4.利用SolidWorks完成机器人三维建模与整体装配，通过ANSYS开展结构强度仿真校核，借助STAR-CCM +分析不同水深、航速下的流体动力特性，验证设计方案的合理性；总结设计成果，分析现有设计局限性，提出后续优化方向与发展展望。

研究方法
1.文献研究法：系统梳理国内外水下机器人、湖泊水下考古相关研究成果，总结现有设备的技术优势与不足，明确本设计的核心突破点与技术路线；
2.理论计算法：基于机械设计、流体力学等理论，对耐压壳体、螺旋桨推进器、舵机传动机构等核心零部件的参数进行精准计算，确保结构强度与性能满足设计要求；
3.数值仿真法：运用SolidWorks进行三维建模，通过ANSYS开展结构强度仿真，借助STAR-CCM +进行流体动力仿真，验证设计方案的合理性与可行性；
4.模块化设计法：将机器人划分为本体结构、动力系统、探测模块、控制系统等多个模块，分别开展设计与优化，确保各模块功能独立且协同适配。

设计目标与核心要求
本次设计的核心目标是打造一款适配湖泊水下考古场景的专用探测机器人，兼顾环境友好与文物保护原则，实现 “低速平稳、探测精准、文物保护、适配湖泊环境” 的核心需求。具体核心要求如下：
1.功能要求：集成水下文物成像、精准定位、环境探测功能，可清晰捕捉文物细节，精准获取水下坐标，同步检测水质、底泥厚度、水温等环境参数；
2.性能要求：最大工作水深 300m，覆盖多数湖泊考古场景；探测精度 ±5mm，满足文物定位与成像需求；最大航速 1.2m/s，实现低速平稳航行，避免冲击文物；核心部件连续工作时间不低于 1000 小时，确保考古作业连续性；
3.环境适配要求：整机重量控制在 45kg 左右，便于陆地运输与水上投放；关键部件防护等级不低于 IP68，适应湖泊水下高压、潮湿环境；低速航行时水流扰动小，避免搅动底泥与损伤文物；
4.维护要求：结构简洁，模块化布局，便于拆装、调试与日常维护，降低考古现场的操作难度。

二、文档介绍

三、項目设计

总体结构组成
机器人总体结构围绕 “低扰动、高精准、易操作” 的核心需求设计，采用鱼雷型流线型外形，由头部、中部、尾部三段式壳体组成，整体结构简洁紧凑，流体阻力小。整机主要由六大核心部件组成，各部件协同工作，实现考古探测、平稳航行、文物保护等功能，具体如下：
1.头部壳体：半球型设计，内部安装高清水密CCD摄像机、LED冷光源及浅层声呐探测器，摄像机与灯具安装角度经优化，避免光源直射文物，成像视野覆盖前方及两侧；
2.中部耐压壳体：圆柱形结构，选用7075铝合金材料，兼顾强度、耐腐蚀性与加工性能；内部采用模块化布局，安装能源模块（高容量锂电池）、控制模块、导航定位模块及环境传感器（水质、沉积物、水温传感器），壳体预留传感器接口，便于调试与升级；
3.尾部壳体：圆锥形设计，内部安装螺旋桨推进器与舵机机构；十字型分布四个舵片，由四个舵机单独控制，配合螺旋桨低速推进，实现机器人进退、升沉、转艏及定点悬停；
4.动力系统：由高容量锂电池与 30W 直流电机组成，为螺旋桨推进器与舵机机构提供动力，适配低速探测需求，延长续航时间；
5.探测模块：集成高清水密CCD摄像机、LED冷光源、浅层声呐探测器及各类环境传感器，实现文物成像、精准定位与环境检测功能；
6.机架及辅助装置：采用轻量化设计，配备吊环便于投放与回收；各壳体之间通过拉杆连接，连接处加装 O 型密封圈，强化淡水密封性能；底部加装防刮擦结构，减少文物触碰风险。传动系统设计方案
传动系统是机器人动力传递的核心，需满足低速平稳、扭矩充足、运行可靠的要求，结合整机低扰动、高精准的航行需求，确定传动系统设计方案如下：
1.传动方式选择：对比全驱动与欠驱动两种结构形式，全驱动多推进器设计存在体积大、能耗高、水流扰动大等问题，不适用于湖泊考古场景。因此，本设计采用欠驱动结构，尾部单螺旋桨推进配合十字型舵翼传动，通过蜗轮蜗杆减速装置实现动力传递，既减少执行机构数量，降低机器人重量与制造成本，又能保证多自由度低速平稳运动，兼顾控制灵活性与文物保护需求；
2.传动比确定：根据电机额定转速与螺旋桨、舵机的工作转速需求，确定总传动比为42，其中蜗轮蜗杆传动比为42（蜗杆头数1，蜗轮齿数42），确保动力传递平稳，满足低速航行与姿态调整需求；
3.核心参数确定：蜗杆采用45钢表面淬火处理，蜗轮选用灰铸铁材质，中心距 30mm，模数 1.5mm，蜗轮分度圆直径63mm，蜗杆分度圆直径3mm；齿轮精度选用GB/T 10095.1-2008 7 级精度，保证啮合平稳，降低运行噪音；
4.部件适配：传动系统与30W直流电机（输出转速 600r/min，转矩 0.48N・m）精准适配，通过蜗轮蜗杆减速装置实现减速增扭，确保螺旋桨低速大推力运行，舵机机构精准控制舵片转角，满足姿态调整需求。

原动机选择方案
原动机是机器人动力的核心来源，需满足功率适配、能耗低、运行稳定的要求，结合整机低速航行、长续航的需求，确定原动机选择方案如下：
1.电机选型：选用 30W 直流电机作为螺旋桨推进器原动机，额定转速 600r/min，转矩 0.48N・m，该电机体积小、重量轻、能耗低，适配机器人轻量化设计需求；同时选用 70W 减速电机驱动舵机传动机构，额定转速 840r/min，满足舵片转角精准控制需求；
2.能源模块选型：采用高容量锂电池作为能源供应核心，配备一体式电池固定架，便于拆装更换；结合低速航行需求，优化能源消耗策略，确保机器人续航能力满足长时间考古探测作业要求；
3.动力组合适配性：电机与传动系统、推进器的参数相互匹配，输出扭矩、转速均能满足机器人低速平稳航行与姿态调整需求；电机防护等级达到 IP68，适配湖泊水下高压、潮湿环境，确保长期稳定运行。

结论
本设计针对湖泊水下考古探测的特殊需求，结合欠驱动水下机器人设计经验，完成了湖泊水下考古探测机器人的结构设计、参数计算、三维建模与仿真分析，主要成果如下：
1.明确了机器人设计目标与核心参数，兼顾低速平稳运动、文物保护与湖泊环境适配性，确定最大工作水深 300m、探测精度 ±5mm、最大航速 1.2m/s 的设计指标，适配多数湖泊考古场景；
2.完成了机器人总体设计，采用 “单螺旋桨 + 十字型舵翼” 的欠驱动结构，鱼雷型流线型三段式壳体设计，模块化布局内部模块，强化密封结构，减少水流扰动，满足文物保护需求；
3.完成了舵机传动机构、电池固定架、考古探测模块、壳体连接结构等核心部件的详细设计，通过理论计算确定了耐压壳体、螺旋桨推进器、舵机传动机构的参数并完成校核，确保各部件强度与性能满足使用要求；
4.利用 SolidWorks 完成机器人三维建模与装配，通过ANSYS与 STAR-CCM + 开展仿真分析，验证了耐压壳体结构强度满足湖泊水下压力要求，机器人流体动力特性良好，低速航行时阻力小、水流扰动小，设计方案可行。
本设计为湖泊水下考古探测提供了一种高效、安全的技术装备，具备实际应用价值，但仅针对机器人结构开展设计与理论分析，未进行控制系统的深入研究，也未开展实物制作与水下试验，存在一定局限性。