具有多自由度的水下仿生多節(jié)機(jī)器人

徐皖勤 張曉月 趙樹正 虞舜之 閆帥坤

摘要：隨著仿生學(xué)的不斷發(fā)展，人類對于仿生技術(shù)的運(yùn)用與日俱增，蛇形機(jī)器人因其強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)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(jì)方案，設(shè)計(jì)出一種具有多自由度的水下仿生多節(jié)機(jī)器人，機(jī)器人可以根據(jù)實(shí)際工作需求增減推進(jìn)器，或重新組合各個(gè)功能模塊來實(shí)現(xiàn)新的功能。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué)、模塊化、多自由度、水下機(jī)器人、多節(jié)

1.引言

在陸地上的災(zāi)難救援及反恐防爆任務(wù)中，由于蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有高度的環(huán)境適應(yīng)性，因此能夠在復(fù)雜環(huán)境中代替人類擔(dān)任探查及操作的重要角色，但在水下設(shè)施檢修的任務(wù)中，復(fù)雜的水域環(huán)境除了對水下機(jī)器人在水下的運(yùn)動(dòng)能力提出了苛刻的要求，還使得水下蛇形機(jī)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(jìn)行檢修，本文基于模塊化的特點(diǎn)研制了一種多自由度的水下仿生多節(jié)機(jī)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(bào)告中首次提出“海洋強(qiáng)國”的概念后，黨的十九大報(bào)告中更是提出了要加快建設(shè)海洋強(qiáng)國，可見海洋強(qiáng)國問題的重要性。水下機(jī)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(yīng)用，但傳統(tǒng)水下機(jī)器人完成水下運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力較大，運(yùn)動(dòng)速度較低，不能適應(yīng)復(fù)雜的水域環(huán)境，而水下蛇形機(jī)器人通過模仿蛇的運(yùn)動(dòng)形式，使其能靈活地穿過各種狹窄環(huán)境的特點(diǎn)引發(fā)了我們的關(guān)注。

2.2研究現(xiàn)狀

日本東京大學(xué)的Hirose教授1972年研制了第一臺(tái)蛇形機(jī)器人樣機(jī)，之后日本Ibaraki大學(xué)的馬書根研制了能夠?qū)崿F(xiàn)單元驅(qū)動(dòng)、側(cè)面滾動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式的周圍有輪子保護(hù)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(xué)者相繼開展了相關(guān)課題的研究。[2]

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

3.推進(jìn)器布置方案

3.1推進(jìn)器的選擇

高性能的推進(jìn)技術(shù)是水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)，因此本裝置選用導(dǎo)管式螺旋槳，通過在螺旋槳外罩一個(gè)專門設(shè)計(jì)的導(dǎo)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(jìn)形式非常適用于水下機(jī)器人。

3.2推進(jìn)器的布置原則

推進(jìn)器分別布置在本裝置的縱向、橫向、垂向三個(gè)方位，使本裝置實(shí)現(xiàn)進(jìn)退、升沉、橫移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)成對的推進(jìn)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(jì)方案

4.1電源動(dòng)力裝置

分析比較液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種驅(qū)動(dòng)方式后，選擇定位精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為本裝置的動(dòng)力元件，同時(shí)采用可充電式的18650鋰電池組進(jìn)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(yán)重的水下進(jìn)行照度補(bǔ)充，同時(shí)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(dòng)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(xué)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(yùn)用聲頻“鏡頭”在昏暗的水體中實(shí)現(xiàn)軍事偵察、情報(bào)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(dá)1500m，覆蓋范圍達(dá)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(dòng)機(jī)器人，相比其他水下機(jī)器人可以更加靈活的適應(yīng)各種復(fù)雜的水下環(huán)境。

（2）本裝置采用模塊化的蛇形機(jī)器人骨架設(shè)計(jì)，可以根據(jù)任務(wù)需求自由組合或者更換模塊來實(shí)現(xiàn)新的功能。如在不同應(yīng)用場合搭載不同的載荷模塊，在水下實(shí)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(tái)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(jìn)入狹窄的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，適用范圍廣闊。

6.應(yīng)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(fù)雜結(jié)構(gòu)體的檢修，同時(shí)，由于采用模塊化設(shè)計(jì)，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(yīng)用。

7.結(jié)語

隨著我國海洋強(qiáng)國建設(shè)的大力推進(jìn)，近年來海洋平臺(tái)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(hù)提供了新的選擇。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]陳麗，王越超，李斌.蛇形機(jī)器人研究現(xiàn)況與進(jìn)展[J].機(jī)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.