水陆两栖蛇形救援机器人的设计与开发

滨州学院　蒋　波　孙翠玲

水陆两栖蛇形救援机器人的设计与开发

滨州学院蒋波孙翠玲

本文设计的机器人结构，是一种新型多功能水陆两栖蛇形机器人，共有七节组成（不包括头部和尾部），通过仿生蛇运动原理，关节处可以相互偏转以及俯仰运动，各舵机之间可以产生相对的偏转摆动，从而产生相对摩擦力，推动蛇形机器人向前移动。该新型机器人不仅可以在陆地上爬行，还可以在水里蠕动，适应环境性较强，基于wifi功能，该机器人不仅可以传输现场图像，还感应人类生命迹象和现场温湿度，并同时传输地理位置（坐标）——从而为蛇形机器人增加了实际的救援功能。

水陆两栖；仿生鳞片；救援

1　引言

仿生学的范围很广，譬如雷达是对蝙蝠超声测距能力的模仿，而机翼使用的防震措施则借鉴了蜻蜓翅膀的结构。仿生机器人运动学是仿生学的一个很重要的发展［1］。蛇形机器人的研究可以满足一些行业的需求。蛇形机器人由于其天生的多关节、多自由度，多冗余自由度，可以有多种运动模式，可以满足在复杂环境中搜救、侦查、排除爆炸物等反恐任务；航空航天领域可用其作为行星表面探测器，轨道卫星的柔性手臂［2］；工业上则可应用于多冗余度柔性机械手臂，管道机器人等方面［3］。本文研究水陆两栖蛇形救援机器人可广泛应用在矿难或者地震中的求援等领域。

2　 水陆两栖蛇形救援机器人硬件电路设计

2.1水陆两栖蛇形机器人的总体框架

本设计主要由单片机、电源模块、舵机模块、视频模块、传感器模块等组成。总体框架如图1所示。

图1　总体框架

2.2主控芯片

本系统是由Atmega16为核心，此单片机ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。具有高效能，低功耗等特点，有32个可编程的I/O口，40引脚的封装，工作电压2.7v～～5.5v。

2.3电源模块

本系统结构复杂，由7个舵机以及众多模块组成，系统需要较高的功率，本设计采用外接电源进行供电，并设计了电源模块，是由L7805以及稳压电源组成。220稳压电源是输入电压为220v，输出电压为+12v/20A，主回路输出有短路，过载保护，输出电压精度正负百分之五到正负百分之十，电源模块最终输出电源功率为30W。

2.4舵机模块

2.4.1基本结构

本模块共有六节舵机组成。一节舵机主要由以下部分组成，如图2所示。

（1）舵机MG995：进行左右摆动，仿生蛇运动原理。

（2）舵盘百脑通相影相影HD720P高清版规规矩矩的四方体机身类似一个 古董级的相机，机身采用拼合设计、造型新颖别致，不管是搭配笔记本电脑还是台式机，在外观方面都有很好的协调性。由于采用了金属拉丝工艺底座和ABS面板 结构，加上金属灰表面工艺处理，让这款产品的时尚感非常强；第三方：与U型支架相链接，固定舵机，使其产生向前的摩擦力。

（3）多功能舵机支架：紧扣住舵机，使其与下一节的舵机相连接。

（4）U型舵机支架：固定舵机，连接下一节的舵机支架。

（5）螺钉：关节连接处通过螺纹连接。

（6）L型舵机支架：固定舵机。

图2　蛇形机器人舵机基本结构

2.4.2舵机主要参数

工作电压：3.0V-7.2V，工作扭矩：13KG/cm，插头规格:JR FUTABA通用，尺寸：40.7*19.7*42.9mm，结构材质：金属铜齿，空心杯电机，双滚珠轴承，重量：55g，反应转速：无负载速度0.17 秒/60度（4.8V）；0.13秒/60度（6.0V），使用温度：-30—+60℃。

2.4.3舵机运动参数

（1）根据蛇自身具有的鳞片，采用胶皮设计了仿生鳞片，提高摩擦系数，增加仿生蛇的前进摩擦力。

（2）根据蛇前行的系统的姿势，把7个舵机分成5个姿态组，每一个姿态组由3个舵机组成，3个舵机实现伸缩和舒展的动作［4］［5］，使之前进，系统实现从后到前姿态组依次运行，使蛇前行。

（3）系统通过控制蛇前段的摆动的幅度，来实现蛇的左转和右转。在蛇左转时，蛇后端部分摆动幅度保持不变，前段幅度向左变大，向右变小，逐渐实现蛇的左右行走。多功能水陆两栖蛇形救援机器人的舵机运动参数.

表1　蛇形救援机器人的舵机运动参数

2.5视频模块

本设计采用的主芯片是AVRmega16单片机，采用的摄像头为百脑通相影相影HD720P高清版摄像头。打开摄像头，经过视频音频压缩模块压缩处理视频，通过AVR单片机控制wifi模块进行远距离传输到电脑终端。

2.6无线传输模块

采用NRF24L01无线通信模块。控制距离在100～200米内，可以实现一对多控制，具有使用简单，易于操作和多信道的优点。

2.7温湿度传感器

本设计采用DHT11数字温湿度传感器，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。产品为4针单排引脚封装，连接方便，体积小，功耗低。

2.8遥控器模块

为了实现对系统的有效和实时控制，我们自行设计了基于nrf24l01的无线控制遥控器，通过按键发送给系统相关指令实现对系统前进，左转，右转以及摄像头的上下和左右控制。采用迷你12864显示接收到的温湿度数据。此外该设计的操控器由主控芯片和液晶显示屏和八个按键组成，按键分为两部分，分别是控制蛇前行状态以及摄像头观测角度。并配有液晶显示屏，显示接收到的相关数据，最终实现对系统的实时监控和有效操作。

2.9舵机防水模块

本系统的一大难点同样也是重点就是防水，因为要实现水中前进的功能，所以我们采用了一下几种方法进行防水：（1）尽可能把各模块进行组合和拼接，然后使用防水板对模块进行封装和密封，这样不仅可以减轻系统的负载，同样可以保护主控芯片。（2）在系统其他裸露在外的电源线和连接杜邦线使用防水乳胶就行保护，使电源线原理水，是线路和系统安全，免受损坏。（3）我们在设计之前就对舵机和舵机支架进行了测试和实验，发现此模块在水中仍可运行，自身具有防水功能，可直接接触水。

3　机器人主要程序

图3　程序流程图

4　现场采集与信息传输

救援现场环境复杂，存在许多潜在危险，救援人员恐难进入，但救援人员又必须准确掌握现场的环境，为救援工作创造有利的条件。通过高清摄像头很好地解决了上述问题。为了实现多方位拍摄现场画面，使用舵机来控制它的旋转角度，水陆两栖蛇形机器人能在两栖复杂环境下，实现正常的蠕动，进入小区间或者油性管道中实施作业画面通过无线视频传输模块发送到上位机界面上，以供救援人员参考。温湿度传感器模块也是救援机器人不可或缺的部分，及时给救援工作人员传达相关的温湿度基本信息。

5　实践结果

基于AVR mega16单片机，设计了水陆两栖的蛇形机器人，通过现演示说明，本设计具有一定的价值和实用性。

图4　蛇形机器人样机图

图5　摄像头传输实时图像

图6　入水潜行

6　结论

该机器人不仅可以在陆地爬行，还可以在水里蠕动，在陆地传输救援现场图像、人类生存迹象、温湿度，发明的模块具有多个自由度，运动灵活。既可以设定程序自行蠕动，又可以手动遥控。蛇形机器人舵机整体通过防水乳胶进行封装，密封性好，防止模块内部进水，从而完善和赋予蛇形机器人真正的意义。

［1］ Z.Y.Bayraktaroglu.Snake-like locomotion： Experimentations with a biologically inspired wheel-less snake robot［J］.Mechanism and Machine Theory，2009， 44： 591-602.

［2］P.Prantsch and T.Mira.Control and analysis of the gait of snake robts.In IEEE International Conference OR Control Applications，1999： 502-507.

［3］段占军，黄毓瑜，王田苗.机器蛇三维运动仿真的研究与实现［J］.计算机仿真，2005：201-204.

［4］陈丽，王越超，马书根等.仿生机器蛇侧向运动的研究［J］.2003，25（3）：246-249.

［5］徐亮，王兴松.蠕动机器蛇的仿生设计和运动学分析［J］.机电工程技术，2007，36（12）：79-83.

蒋波（1992-），山东菏泽人，大学本科，现就读于滨州学院交通运输（民航机务工程方向）专业。

项目名称：国家级大学生创新创业训练计划项目：水陆两栖蛇形救援机器人的设计与开发，项目编号：201410449011。

孙翠玲。