面向水下应用的轻量化细长超冗余机械臂协同设计与优化研究

为解决传统水下机器人难以在狭小空间作业的问题，研究人员开展了一种轻量化、缆驱超冗余机械臂的协同设计研究。通过结合高斯过程回归应力预测与生成式设计，实现了结构的轻量化与流线型优化，并采用3D打印技术制备了近中性浮力模块。该研究为水下精细操作提供了新型机器人解决方案，对海洋勘探与设施维护具有重要意义。

　　

在海洋资源勘探、水下设施维护和科学考察等领域，传统的水下机器人系统如自主水下航行器（AUV）和遥控水下机器人（ROV）仍存在明显局限性。它们往往体积庞大、动作笨拙，难以在管道间隙、沉船内部等狭窄复杂环境中执行精细操作。因此，开发一种兼具高灵活性、结构紧凑性和良好环境适应性的水下机械臂，成为提升水下作业能力的关键。

在此背景下，来自意大利技术学院先进机器人研究所的研究团队在《Ocean Engineering》发表了一项研究，致力于设计一种轻量化、模块化且具备良好流体动力性能的超冗余机械臂，以适用于搭载在ROV或AUV上，协同完成复杂水下任务。

该研究主要依托几项关键技术方法：首先利用拉丁超立方采样（LHS）生成多种负载配置，并通过高斯过程回归（GPR）预测极端应力状况；其次，采用生成式设计（Generative Design, GD）对机械臂关节结构进行拓扑优化，在保证强度的前提下实现轻量化和流体外形优化；最后，借助熔融沉积建模（FDM）和光固化（SLA）3D打印技术制备机械臂模块，使用Onyx（碳纤维增强尼龙）等材料，并通过浮力测试验证其在水下的中性浮力特性。此外，研究还提出了外部浮力元件（BE）的设计方法，以应对材料实际密度与理论值不符的情况。

研究结果主要包括以下几个方面：

一、优化设计与流体外形实现

通过生成式设计方法，研究团队对机械臂的连杆结构进行了优化。在保持功能尺寸不变的前提下，实现了质量的显著降低。优化后的机械臂总质量为3.8 kg，总长1.6 m，可承受1.5 kg的有效载荷。同时，通过施加对称约束和减少材料扩散，获得了流线型外形，有助于降低水动力阻力。

二、结构验证与极端负载分析

利用基于GPR的应力预测模型，研究团队识别出对结构影响最大的负载情况，并借助有限元分析（FEA）对优化后的模型进行了验证。极端值分析（EVA）进一步保证了机械臂在罕见极端负载下的安全性，所有优化模块均满足强度要求。

三、材料选择与浮力实现

通过比较多种3D打印材料和工艺，研究选用Onyx作为主要结构材料，因其具备较高的比强度和较低吸水率。实测结果显示，FDM打印Onyx件的实际密度为0.733 g/cm3，低于理论值，但仍可通过调整设计实现近中性浮力。

四、外部浮力元件设计

针对密度高于海水的模块，研究提出了一种外部浮力元件（BE）的设计方法。该元件采用中空锥柱组合结构，可通过调整外径R₂精确控制浮力大小，同时兼顾可制造性与运动范围不受影响。

五、原型测试与性能验证

研究人员制作了两模块原型机并进行水下浮力测试，使用北海海水（密度1.020 g/cm3）验证了近中性浮力特性。此外，打印的ABS浮力元件也通过配重测试验证了其设计的有效性。

研究表明，该超冗余机械臂设计方法有效解决了水下机械系统在重量、尺寸和流体性能之间的平衡问题。通过数据驱动的优化手段与模块化浮力策略，不仅显著降低了机械臂自重和对驱动力的需求，还提高了其在复杂水下环境中的适应性和操作能力。

该研究的结论部分强调，所提出的协同设计框架具有较高的工程应用价值，尤其适用于需搭载于ROV或AUV的水下机械臂系统。其优势在于结合了结构优化、材料选择与浮力控制，是一条通往轻量化、高性能水下机器人的有效技术路径。未来，可通过引入水动力仿真、推进器集成与水下实验，进一步验证和拓展该设计方法的适用性，促进其在海洋科学研究、近海工程及水下救援等领域的实际应用。