水下搜救偵查救援機器人設計

摘 要：【目的】針對水下環境的特殊性和不確定性，設計了一款水下搜救偵查救援機器人，旨在提高救援效率，保障救援人員安全，減少溺水事故發生。【方法】該機器人集成了高精度傳感器、機械臂、六螺旋槳動力系統、三維聲吶和線性自抗擾控制器等設備，實現了水下環境的細致掃描、快速定位、精確救援和高效路徑巡航。【結果】利用Solidworks三維軟件對機械臂進行了有限元分析，確保其在多種工況下的穩定性和耐用性。【結論】本研究不僅提升了水下救援的技術水平，也為相關領域的智能化發展提供了寶貴的經驗和技術支持。

關鍵詞：水下搜救偵查救援機器人；機械臂；有限元分析

中圖分類號：TH137.5" " " 文獻標志碼：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。傳統的水下救援主要依賴于人力，效率有限。同時，現有設施的建設和運行質量普遍不高，配套設施不完善。如何高效地進行水下救援已成為當前社會面臨的重要問題之一。

由于水下環境的特殊性和不確定性，搜救和偵查工作艱難。目前，救援行業正在朝著更加方便快捷的智能化方向發展［1］。梁能［2］研究了動態組網技術，提高了移動智能終端在復雜水下環境中的網絡穩定性和可靠性。彭湃等［3］利用機器視覺技術對水下視覺成像進行分析和優化，增強了機器人視覺系統的適應性和魯棒性。劉捷等［4］設計了水下清洗機器人控制系統，提高了機器人的清洗效率和操作精確性。蓋超會等［5］基于雙軸運動原理開發了水下探測機器人攝像云臺系統，提升了機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展，為該領域的進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，本研究擬設計一款水下搜救偵查機器人，用于執行水下救援任務。該機器人配備了機械臂和6個動力螺旋槳，能夠高效地對水下事故進行救援。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行高效的路徑巡航。該設備的研發和設計將為水下救援提供有效的解決方案。

1 工作原理及設計思路

1.1 工作原理

水下搜救偵查救援機器人啟動時，高精度傳感器立即啟動，對水下環境進行細致掃描，準確鎖定被困者位置和潛在危險區域。該機器人的機械臂能夠迅速無誤地執行救援任務，將被困者執行轉移到安全區域。搜救行動結束后，機器人通過數據記錄系統記錄下每次搜救行動的時間、地點、環境參數和救援結果，為救援工作積累了寶貴的經驗并提供了數據支持［6］。該機器人展現出強大的環境適應能力，無論是在渾濁的水域還是暗流涌動的區域，都能穩定工作，擴大了救援行動的覆蓋范圍。

該水下搜救偵查救援機器人整個搜救過程應在遠程監控的嚴密把控下有序進行，以確保救援行動的快速響應和高效執行。該機器人所有核心組件都嚴格按照海洋工程技術標準制造，提升了部件間的通用互換性，并確保系統的整體性能和可靠性。一旦發現緊急狀況或需救援時，操作人員即可通過高性能工作站遠程操控機器人潛入現場進行搜救作業。該機器人集成的智能聲吶與高清攝像頭能夠自動鎖定目標位置，并將實時視頻畫面傳輸至岸上指揮中心。指揮人員據此評估救援進展，調整策略，確保任務圓滿完成。

1.2 整體設計思路

水下搜救偵查救援機器人配備高性能處理器，開展智能水下搜救活動，配合機械臂執行打撈任務，其結構如圖1所示。該裝置集成了影像設備、避碰聲吶、多傳感器技術、電機伺服系統和水下射頻通信技術，能在不同深淺、不同渾濁度的水域進行快速有效的搜救工作。

水下搜救偵查救援機器人采用六螺旋槳設計，使其具有強大推進力和機動靈活性，確保在各種水域環境中穩定航行。影像偵查系統包括高清攝像頭和兩個LED補光燈，可實現實時偵查和錄像。其所使用的先進圖像處理技術可實時分析和處理圖像，為救援工作提供重要的信息支持［7］。優化的能源管理和動力系統使機器人能長時間穩定運行，確保搜救任務的持續穩定執行［8］。影像偵查系統與控制系統的高效協同使機器人迅速鎖定并精確定位搜救目標，提高了搜救工作的準確性和高效性。

2 裝置設計方案

2.1 浮力模塊設計

選擇浮力材料時，應考慮其對水下機器人可靠性和安全性的綜合影響。采用的材料應能承受高壓環境，且密度低以實現輕量化，具備低吸水率和體積收縮率，以及優異的機械加工性能，以滿足復雜的制造需求。特別是，浮力塊的體積收縮和吸水率導致的浮力損失，必須控制在0.5%～1.0%，以確保水下機器人的穩定性和安全性。

2.2 視覺傳達裝置設計

水下機器人的視覺系統采用樹莓派作為核心控制器，通過無線手柄實現人機交互、實時視覺傳輸和遠程操控。所采用的攝像頭完全封裝在高強度、耐腐蝕且防水的殼體內部。配置的廣角鏡頭能擴大視野范圍，對搜救偵查尤為重要［9］。在攝像頭內部集成陀螺儀，以增強圖像穩定性和清晰度。由于水下光線條件復雜多變，攝像頭旁邊裝有可調節亮度的照明設備，確保在各種光照條件下都能獲得清晰的圖像。

2.3 燈光裝置設計

本設計選用LED補光燈，其高亮度特性顯著增強了該機器人的水下照明效果，提供了清晰視野，可更準確地判斷水下環境，發現被困人員或物體的位置。LED補光燈能穿透水層，照亮更遠距離，在渾濁或深色水域中尤為重要。LED補光燈具備高效節能特性，可長時間持續照明，減少水下機器人電能使用。LED補光燈也具備防水、耐腐蝕特性，可適應水下復雜多變的環境。

2.4 機械臂設計

水下機器人安裝有機械臂，能夠實現沿軸線的精確運動控制，使結構和控制更為簡化。機械臂工作原理簡單，控制器接收運動指令后，通過電機驅動器控制電機旋轉。電機旋轉運動經傳動機構轉換，驅動機械臂末端執行器沿軸線直線移動。傳感器實時監測并反饋機械臂位置、速度等狀態信息給控制器，以實現精確控制。機械臂結構模型如圖2所示。

2.5 控制模塊設計

水下機器人的控制模塊主要由控制模塊USB、供電模塊、網絡電纜、樹莓派、電力載波等單元組成［10］。控制模塊USB接口是連接控制模塊與計算機或其他設備的橋梁，確保控制指令與數據的快速、準確傳輸。供電模塊作為控制系統的動力源泉，為控制單元提供穩定、高效的電能支持，保障其穩定運行。網絡電纜是連接控制系統與樹莓派和視覺模塊的網絡設備，起到了數據傳輸與通信的關鍵作用，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大，負責處理復雜的控制算法和邏輯判斷，指導任務的執行。電力載波技術利用電力線作為通信介質，實現控制信號與數據的無線傳輸，為設備的遠程監控提供便利。

2.6 防水倉設計

水下機器人的耐壓殼體用于安裝電子元器件和檢測設備，保護它們不受水壓和腐蝕損害。耐壓殼體必須具備足夠的強度和可靠的密封性能。此外，耐壓殼體還提供浮力。該水下機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度和穩定性；在外部壓力較高時，通常需要使用肋骨來增強殼體的穩定性。

2.7 動力裝置設計

本研究所設計的螺旋槳能提高水下機器人的推進效率。綜合考慮水下受力、效率、推力與扭矩等因素，水下機器人裝備三葉片螺旋槳，其結構如圖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效率。葉片設計為翼型，優化了流體流動，最大化了升力。螺旋槳材料應具備高強度、良好的耐腐蝕性和抗疲勞性能，該設計選擇聚甲醛乙縮醛共聚物材料。

3 機械臂有限元分析

?機械臂是實施水下救援的關鍵結構，提高其抓合力，降低振動和水下阻力至關重要。為此，使用Solidworks三維軟件對機械臂進行有限元分析。機械臂在伸縮時受壓力和動力影響，在設計中使用力載荷。機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，質量密度為1 390 kg/m3，張力強度為7.15e+07 N/m2。流場介質為水，密度為998 kg/m3，動力黏度系數為0.001 Pa·s。

經過計算可以得到機械臂的應力云圖和位移云圖如圖4所示。

從圖4可以看出，機械臂的應力最大值為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。由此可知，機械臂的結構設計合理，應力分布均勻，沒有局部應力集中現象，滿足強度和剛度的要求，確保了高精度作業的穩定性以及長期使用的可靠性。

4 結語

本研究設計的水下搜救偵查救援機器人，通過集成高精度傳感器、多功能機械臂、動力螺旋槳、三維聲吶和線性自抗擾控制器等關鍵技術，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械臂在各種負載下的性能和可靠性，且機器人的環境適應性和操作便利性也得到了充分驗證。該機器人整體設計滿足水下救援的迫切需求，為未來水下作業的智能化和自動化提供了借鑒。

參考文獻：

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