具有多自由度的水下仿生多節(jié)機器人

徐皖勤 張曉月 趙樹正 虞舜之 閆帥坤

摘要：隨著仿生學的不斷發(fā)展，人類對于仿生技術(shù)的運用與日俱增，蛇形機器人因其強大的環(huán)境適應能力，靈活的姿態(tài)調(diào)整能力，受到廣泛青睞。本裝置基于模塊化的設(shè)計方案，設(shè)計出一種具有多自由度的水下仿生多節(jié)機器人，機器人可以根據(jù)實際工作需求增減推進器，或重新組合各個功能模塊來實現(xiàn)新的功能。

關(guān)鍵詞：仿生學、模塊化、多自由度、水下機器人、多節(jié)

1.引言

在陸地上的災難救援及反恐防爆任務中，由于蛇形機器人的運動具有高度的環(huán)境適應性，因此能夠在復雜環(huán)境中代替人類擔任探查及操作的重要角色，但在水下設(shè)施檢修的任務中，復雜的水域環(huán)境除了對水下機器人在水下的運動能力提出了苛刻的要求，還使得水下蛇形機器人必須具備優(yōu)良的防水能力，[1]為能方便的對水下設(shè)施進行檢修，本文基于模塊化的特點研制了一種多自由度的水下仿生多節(jié)機器人。

2.選題背景及研究現(xiàn)狀

2.1選題背景

繼黨的十八大報告中首次提出“海洋強國”的概念后，黨的十九大報告中更是提出了要加快建設(shè)海洋強國，可見海洋強國問題的重要性。水下機器人作為探索開發(fā)海洋的重要工具正逐步得到廣泛的應用，但傳統(tǒng)水下機器人完成水下運動時阻力較大，運動速度較低，不能適應復雜的水域環(huán)境，而水下蛇形機器人通過模仿蛇的運動形式，使其能靈活地穿過各種狹窄環(huán)境的特點引發(fā)了我們的關(guān)注。

2.2研究現(xiàn)狀

日本東京大學的Hirose教授1972年研制了第一臺蛇形機器人樣機，之后日本Ibaraki大學的馬書根研制了能夠?qū)崿F(xiàn)單元驅(qū)動、側(cè)面滾動、螺旋運動等運動形式的周圍有輪子保護的ACM-R3，德國Karl.L.Paap繼而研制了可以在垂直和水平方向上彎曲的GMD-sanke1，意大利的Poi， G.、瑞士的Nilsson， M.等學者相繼開展了相關(guān)課題的研究。[2]

國內(nèi)在蛇形機器人研究領(lǐng)域起步較晚，上海交通大學崔顯世、顏國正于1999年3月開發(fā)研制了我國第一臺蛇形機器人樣機，[3]沈陽自動化研究所研制了一種水陸兩棲蛇形機器人探查者Ⅲ。另外，華南理工大學、東北大學、燕山大學等也對蛇形機器人的典型運動方式和控制方法進行了研究。

3.推進器布置方案

3.1推進器的選擇

高性能的推進技術(shù)是水下機器人運動的關(guān)鍵技術(shù)，因此本裝置選用導管式螺旋槳，通過在螺旋槳外罩一個專門設(shè)計的導管使螺旋槳在低速條件下的正向效率獲得20%的提升，此推進形式非常適用于水下機器人。

3.2推進器的布置原則

推進器分別布置在本裝置的縱向、橫向、垂向三個方位，使本裝置實現(xiàn)進退、升沉、橫移運動，同時成對的推進器相對中心對稱布置，螺旋槳形成正槳與反槳的配置，可以相互抵消轉(zhuǎn)矩。

4.設(shè)計方案

4.1電源動力裝置

分析比較液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機驅(qū)動三種驅(qū)動方式后，選擇定位精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的電機驅(qū)動作為本裝置的動力元件，同時采用可充電式的18650鋰電池組進行供電。

4.2附加裝置

4.2.1圖像采集模塊

本裝置前端的亞克力罩內(nèi)安置L40A照明系統(tǒng)，使本裝置能夠在光源亮度不足的昏暗環(huán)境或光線衰減嚴重的水下進行照度補充，同時本裝置第一節(jié)前端處安裝有水下攝像頭，該水下攝像系統(tǒng)通過低照度傳感器來保證水下畫質(zhì)的清晰度，確保水中信息的捕獲，使本產(chǎn)品能夠在昏暗環(huán)境水下環(huán)境中清晰捕捉圖像數(shù)據(jù)。

4.2.2聲吶模塊

本裝置于第二節(jié)處設(shè)有水下聲吶成像原位觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)水下主動發(fā)射兩種頻率的聲波，聲波遇到物體反射回來被探頭接收，經(jīng)聲學成像系統(tǒng)的信號處理可以在顯示屏上顯示物體的影像，使本裝置運用聲頻“鏡頭”在昏暗的水體中實現(xiàn)軍事偵察、情報搜集、海底礦藏調(diào)查等工作。

4.2.3水下定位模塊

本產(chǎn)品使用rackLink1500MA水下定位系統(tǒng)，其作用距離可達1500m，覆蓋范圍達到120°至150°，系統(tǒng)定位精度優(yōu)于2.5m，轉(zhuǎn)配MPU6050陀螺儀芯片，保證航行過程中的姿態(tài)。

5.創(chuàng)新特色

（1）本裝置是一種多自由度的移動機器人，相比其他水下機器人可以更加靈活的適應各種復雜的水下環(huán)境。

（2）本裝置采用模塊化的蛇形機器人骨架設(shè)計，可以根據(jù)任務需求自由組合或者更換模塊來實現(xiàn)新的功能。如在不同應用場合搭載不同的載荷模塊，在水下實現(xiàn)更換抓取器或清潔刷等可拆卸部件以完成輸油管道的檢查和鉆井平臺水下結(jié)構(gòu)的檢修。

（3）本裝置仿照生物蛇的形態(tài)，具有較小的橫截面積，能夠進入狹窄的環(huán)境中進行作業(yè)，適用范圍廣闊。

6.應用前景

由于本裝置具備高靈活性的優(yōu)越性，使本裝置主要用于水下復雜結(jié)構(gòu)體的檢修，同時，由于采用模塊化設(shè)計，通過更換不同模塊將使本裝置在軍事、海上救援等方面也有重要的應用。

7.結(jié)語

隨著我國海洋強國建設(shè)的大力推進，近年來海洋平臺的數(shù)量大大增加，水下設(shè)施檢修成為必不可少的一部分，本裝置以其靈活主體結(jié)構(gòu)和狹窄橫截面積為未來水下結(jié)構(gòu)體的安全監(jiān)測與維護提供了新的選擇。

參考文獻：

[1]郁樹梅，王明輝，馬書根.水陸兩棲蛇形機器人的研制及其陸地和水下步態(tài)[J].機械工程學報，2012，48（9）：18-25.

[2]陳麗，王越超，李斌.蛇形機器人研究現(xiàn)況與進展[J].機器人，2002，24（6）：559-563.

[3] Hua L， Guozheng Y， Guoqing D. Research on the LocomotionMechanism of Snake-like Robot. Proceedings of 2001International Workshop on Bio - Robo tics& Teleoperation ， 2000.