基于生物仿生的水下救援機器人功能結構研究

宮德健 章成 劉鵬 鄧曉盟 賀雨楠

摘 要：水下環境往往比較復雜，因此水下救援機器人需要具有良好的功能結構，以便執行和完成水下救援任務。本文以生物仿生技術為依托，以海蛇為建模原型，做該產品的整體性規劃。首先，水下救援機器人不會對遇險人員造成二次傷害，其體形細長，能通過一些狹窄通道，不易被水下環境限制，并且自身重量較輕，動力較足，移動速度快，其能快速到達救援現場，節省寶貴的救援時間;其次，其可以結合紅外攝像、超聲波定位、溫度傳感器等技術，完成對水下人員的搜救任務;最后，其通過水下探測功能對被施救者進行搜尋定位，然后上傳定位信息進行分析模擬，根據被搜救者形態來改變自身結構，將自身固定在被救援者身體周圍，并打開快速充氣氣囊，將溺水者帶至水面，完成救援任務。

關鍵詞：紅外攝像;超聲波定位;溫度傳感器;分析模擬

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A文章編號：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、新材料、人工智能、大數據等新技術與傳統產業的深度融合，應急產業在新技術、新產品、新業態和新模式等方面必將迎來前所未有的發展機遇。以機器人為代表的智能救援產品研發進展順利，逐漸嶄露頭角，前景可期。以人員溺水為例，隨著經濟發展和氣候變化，救援工作展開的嚴重性、多樣性和復雜度也逐漸增加。溺水發生后的黃金搶救時間內，受現場非結構化環境的影響，救援人員有時難以快速、高效、安全地進行工作，或者救援任務超出救援人員的能力范圍，因此，救援機器人已經成為一種重要的救援必需品[1]。

1 形態傳動裝置設計與驅動裝置

對于形態傳動裝置，整個機器人采用舵機驅動的方式，通過舵機控制各關節進行蛇形蜿蜒運動，通過控制舵機不同的轉動角度，實現機器人整體的形態改變，并通過加裝可調向螺旋槳進行動力補給，進一步提升機器人的運動速度，達到快速救援的目的[2]。機器人通過舵機的運行完成前進、轉向等動作。通過舵機的旋轉，關節處的舵機連接結構上下、左右運行，實現機器人的上浮、下潛、左右旋轉運動。同時，每一關節均為兩連接部分與另一結構進行卡扣方式連接，便于進行電池、芯片等的安裝、拆卸與維修，也可使布線更加簡潔方便。

研發團隊也對蛇蜿蜒運動的軌跡曲線進行研究分析，設計蜿蜒運動控制函數，實現蛇形機器人的蜿蜒前行以及纏繞功能。不僅如此，由于不同環境下該產品的運動介質、所受阻力、液體對該產品力學結構的影響都不相同，團隊針對這些方面進行了更加細致的優化，使得機器人的運動更加自然，也能最大限度地減小機器人的運行功耗。驅動裝置運行本體包括依次首尾相連的若干身段，第一個身段為半球形和圓柱形的組合結構，其他身段為圓柱形結構，任意相鄰的兩個身段之間設有連接機構。至少三個身段設有驅動機構，第一個身段設有用于觀察水下環境的第一紅外攝像頭和紅外線傳感裝置。本實用新型能夠對被救援者進行準確定位，并且利用自身變形對被救援者進行捆綁，從而將被救援者帶上水面。水下推進器控制原理如下：信號線與主控板直接相連，由電池供電，主控板產生PWM信號來控制螺旋槳的轉速，目前有10級轉速可調。對于舵機相關程序控制，采用控制電板進行指令發出，控制電路接收信號源的控制信號，驅動電機轉動，控制舵機轉動到目標角度或保持在目標角度，并通過水下電機帶動螺旋槳旋轉并產生推力，從而使水下機器人完成下潛、上浮、旋轉和側移等各種動作。

2 氣囊發生裝置設計

氣囊發生裝置由二氧化碳壓縮瓶（見圖1）和橡膠氣囊組成（見圖2）。對于氣囊發生裝置，采用二氧化碳壓縮瓶提供壓縮氣體，為氣囊供氣，壓縮瓶中的二氧化碳以液態形式存在，通過氣閥打開施壓的方式，快速產生氣體并充滿氣囊，使之通過增大體積產生浮力。機器人氣囊選擇橡膠氣囊。通過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性來實現彈性作用。

橡膠氣囊是利用橡膠的高分子特性和高強度纖維布，硫化而成的一種可膨脹、收縮的不同形狀的內模，因此性能好，可以多次在水下重復使用。橡膠氣囊的設計科學合理，并且橡膠氣囊操作簡單，省工、省時、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層硫化后制成。其既有良好的抗脹強度，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，存放氣囊的地方應遠離熱源，以免損壞氣囊本身。氣囊不能與酸、堿、油以及有機溶劑接觸。

3 信息交互系統設計

3.1 HC-06藍牙模塊

通過串口通信與主控板進行信息交換，可使用任意具有藍牙功能的設備如手機、計算機與該藍牙模塊連接，然后按照擬定的通信協議輸入信息，便可實現一系列功能，達到遠程操控的目的。藍牙控制開關如圖3所示。

3.2 US-100超聲波測距模塊

本機器人將使用4個超聲波測距模塊對機器人的周邊環境進行實時監測，而且能檢測當前環境溫度，以確保機器人能工作在一個安全的環境內，通過電平觸發的方式來實現。其工作原理為：只需要在Trig/TX管腳輸入一個10 μS以上的高電平，系統便可發出8個40 kHz的超聲波脈沖，然后檢測回波信號。當檢測到回波信號后，模塊還要進行溫度值的測量，然后根據當前溫度對測距結果進行校正，將校正后的結果和當前環境溫度通過Echo/RX管腳輸出。第一節超聲波模塊（前方向）如圖4所示。

3.3 OV7670攝像頭模塊

OV7670攝像頭模塊能將機器人前方的圖像記錄下來，通過藍牙模塊傳到手機或計算機上，使操控者知道當前環境和搜救人員位置，方便救援。

使用紅外攝像頭將畫面傳輸到操作者的計算機或者手機上，操作者也能在這些設備上操控機器人移動至遇險人員周圍，之后可控制機器人改變其形態，環繞固定遇險人員，并打開快速充氣氣囊，形成一個救生圈，將遇險人員帶至水面，操作者可以控制此時的機器人移動至陸面或者最近的船只上，完成一整套救援流程。

4 其他部分裝置設計

4.1 機器人連接設計

為保證舵機的安全使用及拆卸，將舵機安裝于一裝置內，并通過另外兩部分結構與該裝置的連接，完成機器人關節處的連接。這兩部分結構一方面分別與舵機安裝裝置的上下、左右面通過卡扣方式連接，便于進行結構分離及各部分的維修;另一方面分別伸入兩關節內一定距離，以滿足結構的力學性能要求以及舵機的轉矩要求等，并通過卡扣方式進行連接。

4.2 機器人芯片固定設計

為固定芯片，本研究設計了芯片安裝裝置，并利用拔插連接方式將其固定在機器人內表面，便于進行芯片的安裝及拆卸。該裝置分為兩部分，上面部分為外方內圓結構，上表面距機器人內表面10 cm，可以更好地保證芯片的散熱;下面部分為中空結構，與機器人內表面的凸起連接，起到了固定的作用。這樣可以使布線更加合理，機器人內部空間得到充分利用。設定舵機轉向角為60°，根據結構形式，采取舵機正反方向交替控制設計。當機器人處于救援形態時，機器人會驅動舵機進行蛇身環繞運動，同時第二節會進行左右方向90°旋轉，推進器進行左右方向90°旋轉，快速充氣氣囊啟動，實施救援任務。

5 結論

近年來，隨著前沿科技的綜合發展與市場需求的全面升級，機器人產業正加速崛起，在特種救援領域也得到了深入應用。救援機器人的種類日益豐富，功能也愈發多元化，其成為救援裝備中的新生力量，在救援行動中發揮日趨重要的作用。在水下救援過程中，水下救援機器人可以減少人員傷亡和財產損失。本研究積極響應國家政策，研發新型水下救援機器人，推動了國內機器人行業的發展。

參考文獻：

[1]盧震宇.基于STM32的無人無纜水下救援機器人[J].電子技術與軟件工程，2019（5）：99.

[2]孫文芳.基于前混合磨料射流的水下破拆救援機器人的研究[J].科技視界，2019（10）：77-78.