基于生物仿生的水下救援機(jī)器人功能結(jié)構(gòu)研究

宮德健 章成 劉鵬 鄧曉盟 賀雨楠

摘 要：水下環(huán)境往往比較復(fù)雜，因此水下救援機(jī)器人需要具有良好的功能結(jié)構(gòu)，以便執(zhí)行和完成水下救援任務(wù)。本文以生物仿生技術(shù)為依托，以海蛇為建模原型，做該產(chǎn)品的整體性規(guī)劃。首先，水下救援機(jī)器人不會(huì)對(duì)遇險(xiǎn)人員造成二次傷害，其體形細(xì)長(zhǎng)，能通過(guò)一些狹窄通道，不易被水下環(huán)境限制，并且自身重量較輕，動(dòng)力較足，移動(dòng)速度快，其能快速到達(dá)救援現(xiàn)場(chǎng)，節(jié)省寶貴的救援時(shí)間;其次，其可以結(jié)合紅外攝像、超聲波定位、溫度傳感器等技術(shù)，完成對(duì)水下人員的搜救任務(wù);最后，其通過(guò)水下探測(cè)功能對(duì)被施救者進(jìn)行搜尋定位，然后上傳定位信息進(jìn)行分析模擬，根據(jù)被搜救者形態(tài)來(lái)改變自身結(jié)構(gòu)，將自身固定在被救援者身體周圍，并打開(kāi)快速充氣氣囊，將溺水者帶至水面，完成救援任務(wù)。

關(guān)鍵詞：紅外攝像;超聲波定位;溫度傳感器;分析模擬

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）35-0053-03

Abstract： The underwater environment is often complex， so underwater rescue robots need to have a good functional structure， in order to perform and complete underwater rescue tasks. Relying on biomimetic technology， this paper used the sea snake as a modeling prototype to make the overall plan for the product. First of all， underwater rescue robots will not cause secondary damage to persons in distress， its body is slender， it can pass through some narrow passages， and is not easily restricted by the underwater environment， and has a lighter weight， sufficient power， and fast moving speed， which can quickly reach the rescue site， saving valuable rescue time; secondly， it can combine infrared camera， ultrasonic positioning， temperature sensor and other technologies to complete the search and rescue mission of underwater personnel; finally， it uses the underwater detection function to search and locate the rescued， and then uploads the positioning information for analysis and simulation， changes its structure according to the shape of the rescued， fixes itself around the rescued body， and opens the fast inflatable airbag， brings the drowning person to the surface to complete the rescue mission.

Keywords： infrared camera;ultrasonic positioning;temperature sensor;analysis and simulation

隨著通信技術(shù)、新材料、人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度融合，應(yīng)急產(chǎn)業(yè)在新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)和新模式等方面必將迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。以機(jī)器人為代表的智能救援產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)展順利，逐漸嶄露頭角，前景可期。以人員溺水為例，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和氣候變化，救援工作展開(kāi)的嚴(yán)重性、多樣性和復(fù)雜度也逐漸增加。溺水發(fā)生后的黃金搶救時(shí)間內(nèi)，受現(xiàn)場(chǎng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的影響，救援人員有時(shí)難以快速、高效、安全地進(jìn)行工作，或者救援任務(wù)超出救援人員的能力范圍，因此，救援機(jī)器人已經(jīng)成為一種重要的救援必需品[1]。

1 形態(tài)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)裝置

對(duì)于形態(tài)傳動(dòng)裝置，整個(gè)機(jī)器人采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，通過(guò)舵機(jī)控制各關(guān)節(jié)進(jìn)行蛇形蜿蜒運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體的形態(tài)改變，并通過(guò)加裝可調(diào)向螺旋槳進(jìn)行動(dòng)力補(bǔ)給，進(jìn)一步提升機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到快速救援的目的[2]。機(jī)器人通過(guò)舵機(jī)的運(yùn)行完成前進(jìn)、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。通過(guò)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)處的舵機(jī)連接結(jié)構(gòu)上下、左右運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上浮、下潛、左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，每一關(guān)節(jié)均為兩連接部分與另一結(jié)構(gòu)進(jìn)行卡扣方式連接，便于進(jìn)行電池、芯片等的安裝、拆卸與維修，也可使布線更加簡(jiǎn)潔方便。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)也對(duì)蛇蜿蜒運(yùn)動(dòng)的軌跡曲線進(jìn)行研究分析，設(shè)計(jì)蜿蜒運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的蜿蜒前行以及纏繞功能。不僅如此，由于不同環(huán)境下該產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)介質(zhì)、所受阻力、液體對(duì)該產(chǎn)品力學(xué)結(jié)構(gòu)的影響都不相同，團(tuán)隊(duì)針對(duì)這些方面進(jìn)行了更加細(xì)致的優(yōu)化，使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加自然，也能最大限度地減小機(jī)器人的運(yùn)行功耗。驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行本體包括依次首尾相連的若干身段，第一個(gè)身段為半球形和圓柱形的組合結(jié)構(gòu)，其他身段為圓柱形結(jié)構(gòu)，任意相鄰的兩個(gè)身段之間設(shè)有連接機(jī)構(gòu)。至少三個(gè)身段設(shè)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，第一個(gè)身段設(shè)有用于觀察水下環(huán)境的第一紅外攝像頭和紅外線傳感裝置。本實(shí)用新型能夠?qū)Ρ痪仍哌M(jìn)行準(zhǔn)確定位，并且利用自身變形對(duì)被救援者進(jìn)行捆綁，從而將被救援者帶上水面。水下推進(jìn)器控制原理如下：信號(hào)線與主控板直接相連，由電池供電，主控板產(chǎn)生PWM信號(hào)來(lái)控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速，目前有10級(jí)轉(zhuǎn)速可調(diào)。對(duì)于舵機(jī)相關(guān)程序控制，采用控制電板進(jìn)行指令發(fā)出，控制電路接收信號(hào)源的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度，并通過(guò)水下電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生推力，從而使水下機(jī)器人完成下潛、上浮、旋轉(zhuǎn)和側(cè)移等各種動(dòng)作。

2 氣囊發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

氣囊發(fā)生裝置由二氧化碳?jí)嚎s瓶（見(jiàn)圖1）和橡膠氣囊組成（見(jiàn)圖2）。對(duì)于氣囊發(fā)生裝置，采用二氧化碳?jí)嚎s瓶提供壓縮氣體，為氣囊供氣，壓縮瓶中的二氧化碳以液態(tài)形式存在，通過(guò)氣閥打開(kāi)施壓的方式，快速產(chǎn)生氣體并充滿氣囊，使之通過(guò)增大體積產(chǎn)生浮力。機(jī)器人氣囊選擇橡膠氣囊。通過(guò)在柔性的橡膠膠囊中充入壓縮空氣，利用空氣的可壓縮性和水的流動(dòng)性來(lái)實(shí)現(xiàn)彈性作用。

橡膠氣囊是利用橡膠的高分子特性和高強(qiáng)度纖維布，硫化而成的一種可膨脹、收縮的不同形狀的內(nèi)模，因此性能好，可以多次在水下重復(fù)使用。橡膠氣囊的設(shè)計(jì)科學(xué)合理，并且橡膠氣囊操作簡(jiǎn)單，省工、省時(shí)、省料。橡膠氣囊具有良好的耐老化性能，采用合成橡膠、天然橡膠與纖維加強(qiáng)層硫化后制成。其既有良好的抗脹強(qiáng)度，又有彈性、柔韌性，橡膠氣囊能滿足各種工作條件下的使用需求。但是，存放氣囊的地方應(yīng)遠(yuǎn)離熱源，以免損壞氣囊本身。氣囊不能與酸、堿、油以及有機(jī)溶劑接觸。

3 信息交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 HC-06藍(lán)牙模塊

通過(guò)串口通信與主控板進(jìn)行信息交換，可使用任意具有藍(lán)牙功能的設(shè)備如手機(jī)、計(jì)算機(jī)與該藍(lán)牙模塊連接，然后按照擬定的通信協(xié)議輸入信息，便可實(shí)現(xiàn)一系列功能，達(dá)到遠(yuǎn)程操控的目的。藍(lán)牙控制開(kāi)關(guān)如圖3所示。

3.2 US-100超聲波測(cè)距模塊

本機(jī)器人將使用4個(gè)超聲波測(cè)距模塊對(duì)機(jī)器人的周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且能檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度，以確保機(jī)器人能工作在一個(gè)安全的環(huán)境內(nèi)，通過(guò)電平觸發(fā)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。其工作原理為：只需要在Trig/TX管腳輸入一個(gè)10 μS以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個(gè)40 kHz的超聲波脈沖，然后檢測(cè)回波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)后，模塊還要進(jìn)行溫度值的測(cè)量，然后根據(jù)當(dāng)前溫度對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，將校正后的結(jié)果和當(dāng)前環(huán)境溫度通過(guò)Echo/RX管腳輸出。第一節(jié)超聲波模塊（前方向）如圖4所示。

3.3 OV7670攝像頭模塊

OV7670攝像頭模塊能將機(jī)器人前方的圖像記錄下來(lái)，通過(guò)藍(lán)牙模塊傳到手機(jī)或計(jì)算機(jī)上，使操控者知道當(dāng)前環(huán)境和搜救人員位置，方便救援。

使用紅外攝像頭將畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)讲僮髡叩挠?jì)算機(jī)或者手機(jī)上，操作者也能在這些設(shè)備上操控機(jī)器人移動(dòng)至遇險(xiǎn)人員周圍，之后可控制機(jī)器人改變其形態(tài)，環(huán)繞固定遇險(xiǎn)人員，并打開(kāi)快速充氣氣囊，形成一個(gè)救生圈，將遇險(xiǎn)人員帶至水面，操作者可以控制此時(shí)的機(jī)器人移動(dòng)至陸面或者最近的船只上，完成一整套救援流程。

4 其他部分裝置設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器人連接設(shè)計(jì)

為保證舵機(jī)的安全使用及拆卸，將舵機(jī)安裝于一裝置內(nèi)，并通過(guò)另外兩部分結(jié)構(gòu)與該裝置的連接，完成機(jī)器人關(guān)節(jié)處的連接。這兩部分結(jié)構(gòu)一方面分別與舵機(jī)安裝裝置的上下、左右面通過(guò)卡扣方式連接，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)分離及各部分的維修;另一方面分別伸入兩關(guān)節(jié)內(nèi)一定距離，以滿足結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求以及舵機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求等，并通過(guò)卡扣方式進(jìn)行連接。

4.2 機(jī)器人芯片固定設(shè)計(jì)

為固定芯片，本研究設(shè)計(jì)了芯片安裝裝置，并利用拔插連接方式將其固定在機(jī)器人內(nèi)表面，便于進(jìn)行芯片的安裝及拆卸。該裝置分為兩部分，上面部分為外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)，上表面距機(jī)器人內(nèi)表面10 cm，可以更好地保證芯片的散熱;下面部分為中空結(jié)構(gòu)，與機(jī)器人內(nèi)表面的凸起連接，起到了固定的作用。這樣可以使布線更加合理，機(jī)器人內(nèi)部空間得到充分利用。設(shè)定舵機(jī)轉(zhuǎn)向角為60°，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，采取舵機(jī)正反方向交替控制設(shè)計(jì)。當(dāng)機(jī)器人處于救援形態(tài)時(shí)，機(jī)器人會(huì)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行蛇身環(huán)繞運(yùn)動(dòng)，同時(shí)第二節(jié)會(huì)進(jìn)行左右方向90°旋轉(zhuǎn)，推進(jìn)器進(jìn)行左右方向90°旋轉(zhuǎn)，快速充氣氣囊啟動(dòng)，實(shí)施救援任務(wù)。

5 結(jié)論

近年來(lái)，隨著前沿科技的綜合發(fā)展與市場(chǎng)需求的全面升級(jí)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正加速崛起，在特種救援領(lǐng)域也得到了深入應(yīng)用。救援機(jī)器人的種類日益豐富，功能也愈發(fā)多元化，其成為救援裝備中的新生力量，在救援行動(dòng)中發(fā)揮日趨重要的作用。在水下救援過(guò)程中，水下救援機(jī)器人可以減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。本研究積極響應(yīng)國(guó)家政策，研發(fā)新型水下救援機(jī)器人，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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