水下搜救偵查救援機(jī)器人設(shè)計

摘 要：【目的】針對水下環(huán)境的特殊性和不確定性，設(shè)計了一款水下搜救偵查救援機(jī)器人，旨在提高救援效率，保障救援人員安全，減少溺水事故發(fā)生。【方法】該機(jī)器人集成了高精度傳感器、機(jī)械臂、六螺旋槳動力系統(tǒng)、三維聲吶和線性自抗擾控制器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了水下環(huán)境的細(xì)致掃描、快速定位、精確救援和高效路徑巡航?！窘Y(jié)果】利用Solidworks三維軟件對機(jī)械臂進(jìn)行了有限元分析，確保其在多種工況下的穩(wěn)定性和耐用性?！窘Y(jié)論】本研究不僅提升了水下救援的技術(shù)水平，也為相關(guān)領(lǐng)域的智能化發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：水下搜救偵查救援機(jī)器人；機(jī)械臂；有限元分析

中圖分類號：TH137.5" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "文章編號：1003-5168（2024）22-0052-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.011

Design of Underwater Search and Rescue Robot

Abstract： [Purposes] In view of the particularity and uncertainty of underwater environment， an underwater search and rescue robot was designed to improve the rescue efficiency， ensure the safety of rescuers and reduce drowning accidents. [Methods] The robot integrates high-precision sensor， mechanical arm， six-propeller power system， three-dimensional sonar and linear active disturbance rejection controller， and realizes detailed scanning， rapid positioning， accurate rescue and efficient path cruise of underwater environment. [Findings] The finite element analysis of the manipulator was carried out by using Solidworks three-dimensional software to ensure its stability and durability under various working conditions. [Conclusions] This study not only improves the technical level of underwater rescue， but also provides valuable experience and technical support for the intelligent development of related fields.

Keywords： underwater search and rescue robot; mechanical arm; finite element analysis

0 引言

海洋、江河和湖泊等水域中的意外事故往往給救援工作帶來巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的水下救援主要依賴于人力，效率有限。同時，現(xiàn)有設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行質(zhì)量普遍不高，配套設(shè)施不完善。如何高效地進(jìn)行水下救援已成為當(dāng)前社會面臨的重要問題之一。

由于水下環(huán)境的特殊性和不確定性，搜救和偵查工作艱難。目前，救援行業(yè)正在朝著更加方便快捷的智能化方向發(fā)展［1］。梁能［2］研究了動態(tài)組網(wǎng)技術(shù)，提高了移動智能終端在復(fù)雜水下環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性。彭湃等［3］利用機(jī)器視覺技術(shù)對水下視覺成像進(jìn)行分析和優(yōu)化，增強(qiáng)了機(jī)器人視覺系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性。劉捷等［4］設(shè)計了水下清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)，提高了機(jī)器人的清洗效率和操作精確性。蓋超會等［5］基于雙軸運(yùn)動原理開發(fā)了水下探測機(jī)器人攝像云臺系統(tǒng)，提升了機(jī)器人的水下探測能力。這些研究成果在水下救援方面取得了一定的進(jìn)展，為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供了重要的參考價值。

為有效提升水下搜救偵查效率，本研究擬設(shè)計一款水下搜救偵查機(jī)器人，用于執(zhí)行水下救援任務(wù)。該機(jī)器人配備了機(jī)械臂和6個動力螺旋槳，能夠高效地對水下事故進(jìn)行救援。此外，它還配備了三維聲吶和線性自抗擾控制器，能夠勘測水下地形并執(zhí)行高效的路徑巡航。該設(shè)備的研發(fā)和設(shè)計將為水下救援提供有效的解決方案。

1 工作原理及設(shè)計思路

1.1 工作原理

水下搜救偵查救援機(jī)器人啟動時，高精度傳感器立即啟動，對水下環(huán)境進(jìn)行細(xì)致掃描，準(zhǔn)確鎖定被困者位置和潛在危險區(qū)域。該機(jī)器人的機(jī)械臂能夠迅速無誤地執(zhí)行救援任務(wù)，將被困者執(zhí)行轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域。搜救行動結(jié)束后，機(jī)器人通過數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)記錄下每次搜救行動的時間、地點(diǎn)、環(huán)境參數(shù)和救援結(jié)果，為救援工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)并提供了數(shù)據(jù)支持［6］。該機(jī)器人展現(xiàn)出強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力，無論是在渾濁的水域還是暗流涌動的區(qū)域，都能穩(wěn)定工作，擴(kuò)大了救援行動的覆蓋范圍。

該水下搜救偵查救援機(jī)器人整個搜救過程應(yīng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控的嚴(yán)密把控下有序進(jìn)行，以確保救援行動的快速響應(yīng)和高效執(zhí)行。該機(jī)器人所有核心組件都嚴(yán)格按照海洋工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制造，提升了部件間的通用互換性，并確保系統(tǒng)的整體性能和可靠性。一旦發(fā)現(xiàn)緊急狀況或需救援時，操作人員即可通過高性能工作站遠(yuǎn)程操控機(jī)器人潛入現(xiàn)場進(jìn)行搜救作業(yè)。該機(jī)器人集成的智能聲吶與高清攝像頭能夠自動鎖定目標(biāo)位置，并將實(shí)時視頻畫面?zhèn)鬏斨涟渡现笓]中心。指揮人員據(jù)此評估救援進(jìn)展，調(diào)整策略，確保任務(wù)圓滿完成。

1.2 整體設(shè)計思路

水下搜救偵查救援機(jī)器人配備高性能處理器，開展智能水下搜救活動，配合機(jī)械臂執(zhí)行打撈任務(wù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置集成了影像設(shè)備、避碰聲吶、多傳感器技術(shù)、電機(jī)伺服系統(tǒng)和水下射頻通信技術(shù)，能在不同深淺、不同渾濁度的水域進(jìn)行快速有效的搜救工作。

水下搜救偵查救援機(jī)器人采用六螺旋槳設(shè)計，使其具有強(qiáng)大推進(jìn)力和機(jī)動靈活性，確保在各種水域環(huán)境中穩(wěn)定航行。影像偵查系統(tǒng)包括高清攝像頭和兩個LED補(bǔ)光燈，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時偵查和錄像。其所使用的先進(jìn)圖像處理技術(shù)可實(shí)時分析和處理圖像，為救援工作提供重要的信息支持［7］。優(yōu)化的能源管理和動力系統(tǒng)使機(jī)器人能長時間穩(wěn)定運(yùn)行，確保搜救任務(wù)的持續(xù)穩(wěn)定執(zhí)行［8］。影像偵查系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的高效協(xié)同使機(jī)器人迅速鎖定并精確定位搜救目標(biāo)，提高了搜救工作的準(zhǔn)確性和高效性。

2 裝置設(shè)計方案

2.1 浮力模塊設(shè)計

選擇浮力材料時，應(yīng)考慮其對水下機(jī)器人可靠性和安全性的綜合影響。采用的材料應(yīng)能承受高壓環(huán)境，且密度低以實(shí)現(xiàn)輕量化，具備低吸水率和體積收縮率，以及優(yōu)異的機(jī)械加工性能，以滿足復(fù)雜的制造需求。特別是，浮力塊的體積收縮和吸水率導(dǎo)致的浮力損失，必須控制在0.5%～1.0%，以確保水下機(jī)器人的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 視覺傳達(dá)裝置設(shè)計

水下機(jī)器人的視覺系統(tǒng)采用樹莓派作為核心控制器，通過無線手柄實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、實(shí)時視覺傳輸和遠(yuǎn)程操控。所采用的攝像頭完全封裝在高強(qiáng)度、耐腐蝕且防水的殼體內(nèi)部。配置的廣角鏡頭能擴(kuò)大視野范圍，對搜救偵查尤為重要［9］。在攝像頭內(nèi)部集成陀螺儀，以增強(qiáng)圖像穩(wěn)定性和清晰度。由于水下光線條件復(fù)雜多變，攝像頭旁邊裝有可調(diào)節(jié)亮度的照明設(shè)備，確保在各種光照條件下都能獲得清晰的圖像。

2.3 燈光裝置設(shè)計

本設(shè)計選用LED補(bǔ)光燈，其高亮度特性顯著增強(qiáng)了該機(jī)器人的水下照明效果，提供了清晰視野，可更準(zhǔn)確地判斷水下環(huán)境，發(fā)現(xiàn)被困人員或物體的位置。LED補(bǔ)光燈能穿透水層，照亮更遠(yuǎn)距離，在渾濁或深色水域中尤為重要。LED補(bǔ)光燈具備高效節(jié)能特性，可長時間持續(xù)照明，減少水下機(jī)器人電能使用。LED補(bǔ)光燈也具備防水、耐腐蝕特性，可適應(yīng)水下復(fù)雜多變的環(huán)境。

2.4 機(jī)械臂設(shè)計

水下機(jī)器人安裝有機(jī)械臂，能夠?qū)崿F(xiàn)沿軸線的精確運(yùn)動控制，使結(jié)構(gòu)和控制更為簡化。機(jī)械臂工作原理簡單，控制器接收運(yùn)動指令后，通過電機(jī)驅(qū)動器控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換，驅(qū)動機(jī)械臂末端執(zhí)行器沿軸線直線移動。傳感器實(shí)時監(jiān)測并反饋機(jī)械臂位置、速度等狀態(tài)信息給控制器，以實(shí)現(xiàn)精確控制。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

2.5 控制模塊設(shè)計

水下機(jī)器人的控制模塊主要由控制模塊USB、供電模塊、網(wǎng)絡(luò)電纜、樹莓派、電力載波等單元組成［10］?？刂颇KUSB接口是連接控制模塊與計算機(jī)或其他設(shè)備的橋梁，確?？刂浦噶钆c數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確傳輸。供電模塊作為控制系統(tǒng)的動力源泉，為控制單元提供穩(wěn)定、高效的電能支持，保障其穩(wěn)定運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)電纜是連接控制系統(tǒng)與樹莓派和視覺模塊的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，起到了數(shù)據(jù)傳輸與通信的關(guān)鍵作用，是信息交流的通道。樹莓派作為控制模塊的“大腦”，其體積小巧且性能強(qiáng)大，負(fù)責(zé)處理復(fù)雜的控制算法和邏輯判斷，指導(dǎo)任務(wù)的執(zhí)行。電力載波技術(shù)利用電力線作為通信介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)控制信號與數(shù)據(jù)的無線傳輸，為設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供便利。

2.6 防水倉設(shè)計

水下機(jī)器人的耐壓殼體用于安裝電子元器件和檢測設(shè)備，保護(hù)它們不受水壓和腐蝕損害。耐壓殼體必須具備足夠的強(qiáng)度和可靠的密封性能。此外，耐壓殼體還提供浮力。該水下機(jī)器人采用半球形封頭的圓柱形殼體，其圓柱形部分直徑和長度較小。在外部壓力較低時，殼板厚度足以保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性；在外部壓力較高時，通常需要使用肋骨來增強(qiáng)殼體的穩(wěn)定性。

2.7 動力裝置設(shè)計

本研究所設(shè)計的螺旋槳能提高水下機(jī)器人的推進(jìn)效率。綜合考慮水下受力、效率、推力與扭矩等因素，水下機(jī)器人裝備三葉片螺旋槳，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該螺旋槳可減少葉片間干擾，同時提供足夠的推力和良好的推進(jìn)效率。葉片設(shè)計為翼型，優(yōu)化了流體流動，最大化了升力。螺旋槳材料應(yīng)具備高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性和抗疲勞性能，該設(shè)計選擇聚甲醛乙縮醛共聚物材料。

3 機(jī)械臂有限元分析

?機(jī)械臂是實(shí)施水下救援的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，提高其抓合力，降低振動和水下阻力至關(guān)重要。為此，使用Solidworks三維軟件對機(jī)械臂進(jìn)行有限元分析。機(jī)械臂在伸縮時受壓力和動力影響，在設(shè)計中使用力載荷。機(jī)械臂選用聚甲醛乙縮醛共聚物材料，該材料模型采用線性彈性各向同性，其彈性模量為2.6e+09 N/m2，泊松比為0.385 9，抗剪模量為9.328e+08 N/m2，質(zhì)量密度為1 390 kg/m3，張力強(qiáng)度為7.15e+07 N/m2。流場介質(zhì)為水，密度為998 kg/m3，動力黏度系數(shù)為0.001 Pa·s。

經(jīng)過計算可以得到機(jī)械臂的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖4所示。

從圖4可以看出，機(jī)械臂的應(yīng)力最大值為2.995e+05 N/m2；最大位移集中在前段，位移最大值為0.010 95 mm，兩者均在聚甲醛乙縮醛共聚物材料的變形范圍內(nèi)。由此可知，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，應(yīng)力分布均勻，沒有局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，滿足強(qiáng)度和剛度的要求，確保了高精度作業(yè)的穩(wěn)定性以及長期使用的可靠性。

4 結(jié)語

本研究設(shè)計的水下搜救偵查救援機(jī)器人，通過集成高精度傳感器、多功能機(jī)械臂、動力螺旋槳、三維聲吶和線性自抗擾控制器等關(guān)鍵技術(shù)，顯著提升了水下救援的效率和安全性。有限元分析確保了機(jī)械臂在各種負(fù)載下的性能和可靠性，且機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性和操作便利性也得到了充分驗(yàn)證。該機(jī)器人整體設(shè)計滿足水下救援的迫切需求，為未來水下作業(yè)的智能化和自動化提供了借鑒。

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