水下仿生機(jī)器人設(shè)計與實現(xiàn)

朱萬浩，章盼梅，孔令棚，張紫凡

(1.廣州城市理工學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510800；2.廣州城市理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東廣州 510800)

0 前言

隨著我國綜合國力的不斷提升，船舶工業(yè)得到了快速發(fā)展，各地大量新造或改造了各種艦船。為保證艦船運行的安全，工作人員需定期對它進(jìn)行檢修。艦船水下部分出現(xiàn)問題時，若工作人員攜帶設(shè)備潛入水中，不但檢修困難且存在一定的安全隱患。近年來，隨著半導(dǎo)體芯片、自動控制技術(shù)等的快速發(fā)展，為機(jī)器人發(fā)展提供了一定的技術(shù)支撐。利用機(jī)器人代替人工檢測艦船水下部分，不但可提高檢測效率，而且能減少檢修工作的安全隱患。

當(dāng)前國內(nèi)外部分學(xué)者對水下仿生機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、路徑規(guī)劃等進(jìn)行了研究，以尋求反應(yīng)更靈敏、運行更可靠、工作更智能的機(jī)器人。文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一臺基于多傳感器的水下機(jī)器人，該機(jī)器人具有路徑規(guī)劃、自動導(dǎo)航等功能，能實現(xiàn)對海洋目標(biāo)的自動監(jiān)測。文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一臺新穎的水下球形機(jī)器人，用于探索與繪制水下礦井地圖，文中介紹了機(jī)器人的總體概念設(shè)計，設(shè)計了制導(dǎo)等子系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一臺服務(wù)于海底電纜檢測的水下機(jī)器人，通過模塊化設(shè)計提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，分析了系統(tǒng)的總體架構(gòu)，詳細(xì)設(shè)計了各系統(tǒng)子模塊。文獻(xiàn)[5]研究了一種應(yīng)用在船舶焊接焊縫檢測中的多傳感器水下機(jī)器人，該機(jī)器人能快速發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量問題，提高了檢測效率。文獻(xiàn)[6]提出了一種新型的水下機(jī)器人，分析了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)外形、抗壓水密性等，最后對樣機(jī)進(jìn)行了實驗。

為解決大型艦船水下部分檢修的難題，提高艦船的檢修效率，本文作者仿烏龜游泳的特性，設(shè)計一臺水下仿生機(jī)器人，并用實驗驗證其可行性。

1 總體設(shè)計

水下仿生機(jī)器人總體框架設(shè)計由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要采用SolidWorks軟件建立仿生機(jī)器人的3D模型，然后采用3D打印測試的樣機(jī)?？刂葡到y(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控仿生機(jī)器人運行，是機(jī)器人的核心部分，由檢測系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、故障自愈系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)中心主要保存水下仿生機(jī)器人運行的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，由實時數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)組成。水下仿生機(jī)器人總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 水下仿生機(jī)器人總體設(shè)計

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

水下仿生機(jī)器人建模時，設(shè)計思路是先整體再局部，接著確定模型的大致框架，最后再細(xì)分組成每個配件所需的零件。根據(jù)需求繪制各個零件草圖，最終通過裝配形成模型裝配體。

水下仿生機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照建模方法進(jìn)行模型搭建，按照仿生烏龜游泳的原理，積極向生物界尋求設(shè)計靈感與啟發(fā)。根據(jù)對生物進(jìn)行合理的模擬設(shè)計，通過形態(tài)仿生設(shè)計，使水下仿生機(jī)器人更好地滿足當(dāng)下社會的個性化需求。同時，該設(shè)計還從流體力學(xué)角度出發(fā)，依據(jù)流線型化達(dá)到減少運動阻力的目的。水下仿生機(jī)器人SolidWorks模型如圖2所示。

圖2 水下仿生機(jī)器人Solid-Works模型

2.1 推進(jìn)器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

推進(jìn)器由進(jìn)口管道、葉輪軸套、葉輪和噴口組成。它的工作原理是向運動的反方向進(jìn)行水流噴射，噴射的水流具有一定的速度，從而使推進(jìn)器運行。從物理學(xué)作用力的角度分析，此時的水下仿生機(jī)器人受到的推力是一種合力。該合力等于水流的反作用力，由推進(jìn)器內(nèi)表面上所受到的壓力和剪切應(yīng)力在噴口面積矢量相反方向上的合力。一般來說，推力的大小與單位時間內(nèi)流經(jīng)推進(jìn)器的動量變化率相等。

該設(shè)計采用4個豎直方向和2個水平方向的推進(jìn)器，其中豎直方向上的推進(jìn)器稱為平衡推進(jìn)器，要求在對角線上的2個平衡推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)方向一致，而不在對角線上的2個平衡推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)方向相反，也即相鄰的2個平衡推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)方向是相反的；水平方向上的推進(jìn)器稱為前進(jìn)推進(jìn)器，2個推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)的方向相反。當(dāng)4個平衡推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)方向一致時，由于反作用力的作用，水下仿生機(jī)器人會繞著豎直方向的中心線產(chǎn)生自轉(zhuǎn)的現(xiàn)象；當(dāng)2個前進(jìn)推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)方向一致時，也會繞著推進(jìn)器前進(jìn)方向產(chǎn)生自轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。推進(jìn)器模型如圖3所示。

圖3 推進(jìn)器SolidWorks建模

2.2 力學(xué)分析

水下仿生機(jī)器人共選用6個推進(jìn)器，其中前進(jìn)推進(jìn)器的數(shù)量有2個，平衡推進(jìn)器的數(shù)量為4個。當(dāng)推進(jìn)器未工作時，仿生機(jī)器人水平浮在水面。若要仿生機(jī)器人沿直線移動，則需使兩端前進(jìn)推進(jìn)器保持相同的速度。若要實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，則使兩側(cè)的前進(jìn)推進(jìn)器產(chǎn)生差速即可實現(xiàn)，當(dāng)某一端前進(jìn)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速慢時，仿生機(jī)器人則往該端偏轉(zhuǎn)。若要實現(xiàn)仿生機(jī)器人的下沉上浮時，根據(jù)物理學(xué)中的阿基米德原理可知，當(dāng)仿生機(jī)器人完全浸入時，排開水的體積最大，所受的浮力也最大。因此，為克服浮力的增大，則需開啟平衡推進(jìn)器，使得>。當(dāng)仿生機(jī)器人浮力大于重力、4個平衡推進(jìn)器保持一致且旋轉(zhuǎn)速度向上排水時，仿生機(jī)器人就會平穩(wěn)下潛。正常情況下，仿生機(jī)器人在水下保持水平狀態(tài)，當(dāng)然，在控制系統(tǒng)的控制下，也可在水下保持其他任意姿態(tài)，例如前傾和后仰等。其受力分析如圖4所示。

圖4 仿生機(jī)器人水下力學(xué)分析

為仿生機(jī)器人在水下所受到的浮力，為平衡推進(jìn)器的推力，為前進(jìn)推進(jìn)器的推力。當(dāng)水下仿生機(jī)器人潛入水中時，排開水的體積一定，所受的浮力則為恒力，且浮力的方向總是豎直向上的。因此，可通過調(diào)節(jié)推進(jìn)器的推力、，使兩者的合力與大小相等、方向相反即可保持機(jī)器人的平衡狀態(tài)。是4個平衡推進(jìn)器的合力，把拆分成兩部分：仿生機(jī)器人前方2個平衡推進(jìn)器的合力和后方2個平衡推進(jìn)器的合力。=+，當(dāng)<1時，仿生機(jī)器人開始前傾，這一過程由于受力方向的改變，要時刻保持、和的合力為0。當(dāng)仿生機(jī)器人前傾角度到達(dá)設(shè)定位置后，使和處于動態(tài)相等的狀態(tài)，即可完成前傾任意角度的控制，前傾過程需結(jié)合角度檢測模塊才能正常工作。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是水下仿生機(jī)器人的重要組成部分，由硬件系統(tǒng)部分和軟件系統(tǒng)部分組成。仿生機(jī)器人工作時，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)機(jī)器人的智能工作。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

水下仿生機(jī)器人采用STM32控制器為中央處理器，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、運算和通信處理。硬件系統(tǒng)的外圍電路包括無線模塊、攝像頭模塊、陀螺儀模塊、超聲波模塊、電調(diào)模塊等，各個模塊在STM32控制器的指令下協(xié)調(diào)運行。GPS定位模塊用于定位仿生機(jī)器人在水中的位置，超聲波傳感器用于判斷前方是否有障礙物，攝像頭模塊用于拍攝艦船表面，然后通過算法判斷是否需進(jìn)一步檢測。仿生機(jī)器人工作時，超聲波傳感器、溫度傳感器等模塊采集現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送到STM32控制器中。STM32控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和算法，對輸入的信號進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果發(fā)送給攝像頭、電調(diào)等模塊，控制仿生機(jī)器人的運行。硬件電路總體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

水下仿生機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計采用C語言進(jìn)行編程，包括主程序設(shè)計、子程序設(shè)計和遙控器程序設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計時，需綜合考慮仿生機(jī)器人在水中運行時會遇到的情況，針對不同的情況設(shè)計不同的運行方式。另外，設(shè)計人員的思路和算法會影響到仿生機(jī)器人的運行效率，需不斷地調(diào)試程序。

3.2.1 主程序設(shè)計

水下仿生機(jī)器人啟動后，首先進(jìn)行硬件的自檢，然后進(jìn)入主程序。通過主程序調(diào)用各子程序，實現(xiàn)仿生機(jī)器人的智能工作。軟件系統(tǒng)的子程序包括圖像識別系統(tǒng)子程序、運動控制子程序、自動檢測子程序、故障診斷自愈子程序等。當(dāng)仿生機(jī)器人在水中檢測到特定的信號時主程序發(fā)生中斷，根據(jù)預(yù)設(shè)的程序調(diào)用子程序。當(dāng)子程序執(zhí)行完畢之后，跳出中斷，返回到主程序繼續(xù)執(zhí)行其他命令。仿生機(jī)器人主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序設(shè)計流程

3.2.2 遙控器程序設(shè)計

水下仿生機(jī)器人有兩種工作模式：一種是手動運行模式，即操作人員在岸上通過遙控器控制它運行；另一種是自動運行模式，仿生機(jī)器人按照內(nèi)部設(shè)定好的程序自動運行。當(dāng)采用手動模式時，開啟遙控器電源，單片機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)初始化，單片機(jī)所有I/O口進(jìn)行雙向口初始化且呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。初始化無線模塊并將它設(shè)置為發(fā)送模式，同時清除模塊緩存，然后設(shè)置無線模塊傳輸通道、存儲地址等。當(dāng)檢測到按鍵按下時，單片機(jī)將按鍵值發(fā)送到發(fā)送緩沖區(qū)，然后進(jìn)行讀取狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)、讀取無線模塊數(shù)據(jù)和清除外部中斷操作。遙控器程序設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 遙控器程序設(shè)計流程

4 樣機(jī)測試

設(shè)計完成之后，為驗證設(shè)計效果，進(jìn)行水下仿生機(jī)器人樣機(jī)測試。測試前的相關(guān)工作包括采用3D打印機(jī)打印機(jī)械模型、購置相關(guān)的控制模塊、焊接電路板、組裝整機(jī)等。

4.1 功能測試

功能測試環(huán)節(jié)主要測試水下仿生機(jī)器人的各個按鍵、各項功能是否正常。測試前，先檢查樣機(jī)、遙控器的外觀是否完好，推進(jìn)器等部件粘貼是否緊密；然后，給樣機(jī)通電測試，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化；最后，進(jìn)行樣機(jī)的按鍵、功能測試。測試時，把樣機(jī)放進(jìn)測試的湖面，打開樣機(jī)和遙控器電源，點擊啟動按鈕，樣機(jī)電源信號燈閃亮，系統(tǒng)初始化工作；點擊停止按鈕，樣機(jī)電源信號燈熄滅，系統(tǒng)停止運行；旋轉(zhuǎn)遙控桿前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)方向，樣機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作；長按下潛按鈕，樣機(jī)潛入水中，長按上浮按鈕，樣機(jī)在水中往上浮。樣機(jī)如圖8所示。

圖8 水下仿生機(jī)器人樣機(jī)

4.2 性能測試

性能測試主要包括三方面：控制距離、潛水深度、運行速度?？刂凭嚯x主要指遙控器控制仿生機(jī)器人的距離和攝像頭傳輸視頻到岸上監(jiān)控端的距離。測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在空曠的湖中時，最大控制/傳輸距離為200 m，隨著障礙物的增多，控制/傳輸距離會縮短。潛水深度主要測試仿生機(jī)器人的耐壓能力，檢測仿生機(jī)器人是否良好，有無出現(xiàn)進(jìn)水情況。運行速度主要測試仿生機(jī)器人的反應(yīng)靈敏度、加速度和速度。

4.3 存在的問題

測試結(jié)果表明，該設(shè)計可基本實現(xiàn)水下仿生機(jī)器人的功能，達(dá)到設(shè)計要求。但是，該設(shè)計也存在一些問題，例如：電池的續(xù)航能力不足，后期需更換大容量電池和增加電池數(shù)量來增加續(xù)航能力；攝像不夠清晰、無法多角度拍攝，后期需更換高清攝像頭和增加攝像頭數(shù)量。

5 結(jié)束語

本文作者設(shè)計了一臺仿生烏龜游泳的水下機(jī)器人，采用SolidWorks軟件建立3D模型并用3D打印機(jī)打印樣機(jī)。分析了該機(jī)器人在水中運行的受力情況；詳細(xì)設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分。樣機(jī)測試結(jié)果表明，該仿生機(jī)器人反應(yīng)靈敏、運行穩(wěn)定，能潛入水中檢測大型艦船，為技術(shù)人員開發(fā)水下仿生機(jī)器人提供參考。