模塊化水下仿生蛇形搜救裝置研究

馬文科，高強(qiáng)，趙博文，孫斌，胡歆遙，趙俊哲

（1.沈陽工程學(xué)院，遼寧沈陽，110000；2.中建東方裝飾有限公司，遼寧沈陽，110000）

0 引言

隨著海上運(yùn)輸、海洋資源開發(fā)活動(dòng)的日益增多，海上事故發(fā)生率也居高不下。因此，建立完備的海上搜救裝備體系尤為重要，而目前的水下機(jī)器人ROV 及AUV 分別暴露出運(yùn)動(dòng)能力弱和環(huán)境適應(yīng)性差的問題，均只能在特定的場(chǎng)景中進(jìn)行應(yīng)用，并不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。而仿蛇形水下搜救機(jī)器人同時(shí)兼顧了地形兼容性及運(yùn)動(dòng)靈活性，在沉船體內(nèi)部、礁石地帶等復(fù)雜環(huán)境中，優(yōu)勢(shì)更為明顯。除此之外，仿蛇形機(jī)器人得益于獨(dú)特的仿生結(jié)構(gòu)和靈活性，在水產(chǎn)養(yǎng)殖、輸油管道及水下工作平臺(tái)的檢修工作中以及海洋探索等領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用前景。綜上所述，針對(duì)基于模塊化技術(shù)的新型仿生蛇形機(jī)器人的研究將會(huì)在社會(huì)生產(chǎn)工作中為人們提供更大的便利。

1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

■1.1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到水下搜救機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中針對(duì)工作效率的需求，計(jì)劃將蛇頭及蛇尾兩端均設(shè)計(jì)為主驅(qū)動(dòng)裝置，即形成雙動(dòng)力模式。采用“橫縱雙向”螺旋槳推進(jìn)結(jié)構(gòu)為裝置提供動(dòng)力（裝置驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示），分布于蛇頭結(jié)構(gòu)兩側(cè)的橫向水推器可實(shí)現(xiàn)橫向驅(qū)動(dòng)及差速轉(zhuǎn)向，而安裝于蛇頭結(jié)構(gòu)內(nèi)部的縱向水推器用于實(shí)現(xiàn)裝置整體的“下沉－上浮”運(yùn)動(dòng)。這樣的雙驅(qū)動(dòng)模式既可以保證裝置在有限的硬件條件下維持高效率工作，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)裝置在一端驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)受損的情況下，仍可以低功耗狀態(tài)進(jìn)行工作，大大提高了裝置在極限工作情況下的運(yùn)動(dòng)容錯(cuò)率。同時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以幫助實(shí)現(xiàn)水下工作環(huán)境對(duì)于運(yùn)動(dòng)平衡性的要求。

圖1 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

■1.2 功能區(qū)塊設(shè)計(jì)

結(jié)合水下搜救及探索工作的功能需求，將主要功能定位于自動(dòng)避障越障、生命體征監(jiān)測(cè)、音頻通話及圖像回傳、導(dǎo)航定位回傳四項(xiàng)功能。將各大功能模塊平均分布在直徑為90mm 的蛇頭結(jié)構(gòu)表面，各功能區(qū)塊分布結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 功能區(qū)塊分布圖

■1.3 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于水下仿生蛇形搜救機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)左右偏轉(zhuǎn)擺動(dòng)和上下俯仰擺動(dòng)的功能，所以在關(guān)節(jié)整體架構(gòu)上采用俯仰－偏轉(zhuǎn)雙模塊正交結(jié)構(gòu)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的最大擺動(dòng)角度預(yù)計(jì)按照±90°（采用180°舵機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)）設(shè)計(jì)，而實(shí)際最大擺動(dòng)角度可根據(jù)需要在電控信號(hào)上加以調(diào)整。

我們采用錐齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)主體，用正交關(guān)節(jié)+錐齒輪傳動(dòng)，舵機(jī)與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)輪相連接，運(yùn)動(dòng)時(shí)通過呈90°分布的錐齒結(jié)構(gòu)傳遞動(dòng)力，由于從動(dòng)輪與關(guān)節(jié)內(nèi)壁相固定的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)之間的俯仰－翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上還增加了空轉(zhuǎn)嚙合齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用三個(gè)軸線垂直的直線圓錐齒輪組作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。關(guān)節(jié)單元構(gòu)成示意如圖3 所示。

圖3 關(guān)節(jié)單元構(gòu)成示意圖

其工作原理為主動(dòng)齒輪通過舵機(jī)與端部活動(dòng)關(guān)節(jié)固定，從動(dòng)齒輪通過軸與中間固定管連接，其中一個(gè)從動(dòng)齒輪與中間固定管固定，無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)從動(dòng)齒輪可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，主動(dòng)齒輪與固定端從動(dòng)齒輪相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)端部活動(dòng)管轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)沿一個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。而可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的空轉(zhuǎn)端從動(dòng)齒輪用于補(bǔ)償主動(dòng)齒輪單側(cè)嚙合導(dǎo)致的受力不均勻，更好的保障了裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性。同時(shí)也在一定程度上延緩了舵機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的使用壽命，另一個(gè)關(guān)節(jié)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)與上述同理。整體效果如圖4 所示。

圖4 最終方案整體效果圖

■1.4 蛇身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中蛇身需滿足蜿蜒擺動(dòng)、前后移動(dòng)的多方向運(yùn)動(dòng)，擬在蛇身布置萬向球裝置（牛眼軸承），優(yōu)先考慮選用非金屬萬向球軸承，按間隔60°布置，當(dāng)機(jī)器人在海底管道內(nèi)部進(jìn)行蜿蜒扭曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，萬向輪可依靠裝置與管道內(nèi)壁的摩擦實(shí)現(xiàn)萬向轉(zhuǎn)動(dòng)，有效降低蛇身與管道間的摩擦，有效地解決了裝置在海底管道等狹小水下空間移動(dòng)靈活性的問題。蛇身萬向輪位置結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

蛇身模塊的首個(gè)關(guān)節(jié)和尾部關(guān)節(jié)均為左右偏轉(zhuǎn)擺動(dòng)關(guān)節(jié)，以便于更好的調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向及攝像角度。蛇身整體結(jié)構(gòu)中共有4 個(gè)左右翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及3 個(gè)抬升關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)之間均為模塊化連接，可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行特殊裝配。

關(guān)節(jié)裸露位置在外側(cè)設(shè)置了密封防水防塵罩（橡膠防塵波紋管）裝置，在實(shí)現(xiàn)裝置整體防水功能的基礎(chǔ)上，同時(shí)也防止了因水下環(huán)境中的揚(yáng)沙、水草進(jìn)入裝置內(nèi)部而造成的運(yùn)動(dòng)故障。蛇身防水防塵罩位置結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

綜上所述，本裝置主要由蛇頭、蛇尾結(jié)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）、蛇身結(jié)構(gòu)（防護(hù)及輔助運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)）及關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)）三部分構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。出于裝置結(jié)構(gòu)清晰化的目的，作爆炸視圖分析如圖7 所示。

圖6 整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 裝置爆炸視圖

2 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析

該裝置在水下場(chǎng)景中工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)主要參照了“蛇形蜿蜒曲線”的概念，其運(yùn)動(dòng)原理如圖8 所示，該類型運(yùn)動(dòng)主要依靠水推器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與水平翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元的配合運(yùn)動(dòng)。首先，利用橫向水推器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)向前航行，在航行過程中，第一水平翻轉(zhuǎn)單元進(jìn)行小角度轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入正弦運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到圖8 中的b 姿態(tài)，之后，后接的水平翻轉(zhuǎn)單元也依次完成小角度翻轉(zhuǎn)以完成最終的蜿蜒運(yùn)動(dòng)。

圖8 蜿蜒運(yùn)動(dòng)原理圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人總體控制方案，如圖9 所示，控制系統(tǒng)主要包括水上控制器、姿態(tài)控制系統(tǒng)、圖像控制系統(tǒng)三部分。姿態(tài)控制是對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，包括水下機(jī)器人懸?？刂?、水下機(jī)器人前進(jìn)、后退以及下潛等控制。圖像控制主要是對(duì)于水下圖像的采集，包括拍照、錄像等操作。

圖9 總體控制方案

■3.1 姿態(tài)控制系統(tǒng)

圖10 為姿態(tài)控制系統(tǒng)總體框圖。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要完成的任務(wù)，包括機(jī)器人所有自由度的協(xié)調(diào)控制、機(jī)器人與上位機(jī)軟件的實(shí)時(shí)通訊，以及在自動(dòng)模式下控制機(jī)器人進(jìn)行自平衡調(diào)整。

圖10 姿態(tài)控制系統(tǒng)總體框圖

3.1.1 姿態(tài)算法設(shè)計(jì)

姿態(tài)控制原理圖，如圖11 所示，水下機(jī)器人接收遙控器發(fā)送來的姿態(tài)角，作為期望角度輸入到控制系統(tǒng)中與姿態(tài)解算算法解算出的實(shí)際姿態(tài)角度進(jìn)行求取偏差，分別經(jīng)過各自的PID 控制器進(jìn)行PID 運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)化成電機(jī)調(diào)速的PWM 方波來調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)后的姿態(tài)角又進(jìn)過姿態(tài)反饋環(huán)反饋給了輸入為下一次控制做準(zhǔn)備。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)調(diào)試發(fā)現(xiàn)采用單級(jí)PID 控制飛行姿態(tài)。水下機(jī)器人懸停則是姿態(tài)算法控制的一種特殊的情況，即期待的橫滾角設(shè)定在零度。

圖11 姿態(tài)控制原理圖

3.1.2 電機(jī)伺服控制方式

水下機(jī)器人的控制具體實(shí)現(xiàn)方案，如圖12 所示，采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的方式。

圖12 控制原理圖

開環(huán)控制上位機(jī)可以直接控制水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，也可以利用控制箱內(nèi)的搖桿，通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，把搖桿的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量傳入STM32F407，再通過CAN 總線傳入水下的控制器直接控制PWM 的占空比來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。閉環(huán)控制則是利用姿態(tài)傳感器的反饋水下機(jī)器人姿態(tài)，然后對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行位置控制，但為了獲得更多和更高質(zhì)量獲得角度數(shù)據(jù)通常使用6 軸姿態(tài)傳感器（陀螺儀）即MPU6500，通過該傳感器可以通過姿態(tài)解算算法的獲得相對(duì)準(zhǔn)確歐拉角，把歐拉角再傳入姿態(tài)控制器，通過姿態(tài)解算出控制每個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)PWM 調(diào)整水下機(jī)器人到合適的姿態(tài)。

■3.2 圖像采集系統(tǒng)

3.2.1 圖像采集系統(tǒng)原理分析

圖像采集系統(tǒng)原理，如圖13 所示，圖像采集的主控板選擇樹莓派，樹莓派通過控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而控制小型云臺(tái)的位置，改變攝像頭位置。攝像頭則通過SCI 接口直接連接到樹莓派，通過遠(yuǎn)程連接，將電腦和樹莓派相連，控制攝像頭完成響應(yīng)的動(dòng)作。

圖13 圖像采集系統(tǒng)原理圖

3.2.2 圖像采集系統(tǒng)云臺(tái)設(shè)計(jì)

圖像采集云臺(tái)，如圖14 所示，該云臺(tái)由兩個(gè)舵機(jī)組成，上邊的舵機(jī)控制攝像頭俯仰角度，下邊舵機(jī)控制攝像頭的方位角。使用30~150 度的云臺(tái)機(jī)制， 這個(gè)范圍足夠用于相機(jī)。

圖14 圖像采集云臺(tái)

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了測(cè)試裝置在實(shí)際應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)性能，分別測(cè)試裝置在無障礙物清澈水下環(huán)境、無障礙物渾濁水下環(huán)境、有障礙物渾清澈水下環(huán)境、有障礙物渾濁水下環(huán)境四種場(chǎng)景下通過5m 水平距離所需時(shí)間。具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

表1 數(shù)據(jù)表明，該裝置在無障礙物清澈環(huán)境和無障礙物渾濁環(huán)境中利用水推起器結(jié)構(gòu)航行通過5m 水平距離的時(shí)間分別為12.83s 和13.83s，在有障礙物清澈環(huán)境和有障礙物渾濁環(huán)境中，航行通過5m 水平距離的時(shí)間分別為18.89s和24.30s。分析數(shù)據(jù)可知，水下環(huán)境的清澈程度及障礙物數(shù)量會(huì)對(duì)裝置的水下識(shí)別航行速度產(chǎn)生影響，其中存在障礙物因素對(duì)于裝置航行的干擾程度相較于環(huán)境清澈程度的干擾來說更大。該裝置在各項(xiàng)針對(duì)性實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)行平穩(wěn)，無明顯卡頓現(xiàn)象。

5 總結(jié)

本文創(chuàng)新之處：（1）采用“橫縱雙向”水推器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，并結(jié)合“雙驅(qū)動(dòng)模式”，運(yùn)動(dòng)效率較高。（2）利用錐齒傳動(dòng)關(guān)節(jié)單元實(shí)現(xiàn)“蛇形曲線”運(yùn)動(dòng)，同時(shí)兼顧了運(yùn)動(dòng)精度及靈活性。（3）結(jié)合了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了“即插即用”的功能。

浩瀚的海洋中蘊(yùn)藏著極其豐富的資源，而海洋探索技術(shù)的落后所暴露出的問題也在隨著海洋探索研究的逐步深入而逐漸浮現(xiàn)，所以目前建立一套完善的海洋裝備體系尤為重要。在未來，或許針對(duì)水下蛇形機(jī)器人的進(jìn)一步相關(guān)研究可以幫助我們實(shí)現(xiàn)在海洋探索領(lǐng)域上的技術(shù)突破。