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

0 引言

隨著海上運(yùn)輸、海洋資源開(kāi)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(wèn)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(guò)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(guò)舵機(jī)與端部活動(dòng)關(guān)節(jié)固定，從動(dòng)齒輪通過(guò)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(wú)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(wàn)向球裝置（牛眼軸承），優(yōu)先考慮選用非金屬萬(wàn)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(wàn)向輪可依靠裝置與管道內(nèi)壁的摩擦實(shí)現(xiàn)萬(wàn)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(wèn)題。蛇身萬(wàn)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(lèi)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(guò)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)器人懸停控制、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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)CAN 總線傳入水下的控制器直接控制PWM 的占空比來(lái)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(guò)該傳感器可以通過(guò)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(guò)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(shù)莓派，樹(shù)莓派通過(guò)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(guò)SCI 接口直接連接到樹(shù)莓派，通過(guò)遠(yuǎn)程連接，將電腦和樹(shù)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(wú)障礙物清澈水下環(huán)境、無(wú)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(guò)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(wú)障礙物清澈環(huán)境和無(wú)障礙物渾濁環(huán)境中利用水推起器結(jié)構(gòu)航行通過(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)更大。該裝置在各項(xiàng)針對(duì)性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)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(wèn)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(lái)，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。