具有多自由度的水下仿生多节机器人

徐皖勤 张晓月 赵树正 虞舜之 闫帅坤

摘要：随着仿生学的不断发展，人类对于仿生技术的运用与日俱增，蛇形机器人因其强大的环境适应能力，灵活的姿态调整能力，受到广泛青睐。本装置基于模块化的设计方案，设计出一种具有多自由度的水下仿生多节机器人，机器人可以根据实际工作需求增减推进器，或重新组合各个功能模块来实现新的功能。

关键词：仿生学、模块化、多自由度、水下机器人、多节

1.引言

在陆地上的灾难救援及反恐防爆任务中，由于蛇形机器人的运动具有高度的环境适应性，因此能够在复杂环境中代替人类担任探查及操作的重要角色，但在水下设施检修的任务中，复杂的水域环境除了对水下机器人在水下的运动能力提出了苛刻的要求，还使得水下蛇形机器人必须具备优良的防水能力，[1]为能方便的对水下设施進行检修，本文基于模块化的特点研制了一种多自由度的水下仿生多节机器人。

2.选题背景及研究现状

2.1选题背景

继党的十八大报告中首次提出“海洋强国”的概念后，党的十九大报告中更是提出了要加快建设海洋强国，可见海洋强国问题的重要性。水下机器人作为探索开发海洋的重要工具正逐步得到广泛的应用，但传统水下机器人完成水下运动时阻力较大，运动速度较低，不能适应复杂的水域环境，而水下蛇形机器人通过模仿蛇的运动形式，使其能灵活地穿过各种狭窄环境的特点引发了我们的关注。

2.2研究现状

日本东京大学的Hirose教授1972年研制了第一台蛇形机器人样机，之后日本Ibaraki大学的马书根研制了能够实现单元驱动、侧面滚动、螺旋运动等运动形式的周围有轮子保护的ACM-R3，德国Karl.L.Paap继而研制了可以在垂直和水平方向上弯曲的GMD-sanke1，意大利的Poi， G.、瑞士的Nilsson， M.等学者相继开展了相关课题的研究。[2]

国内在蛇形机器人研究领域起步较晚，上海交通大学崔显世、颜国正于1999年3月开发研制了我国第一台蛇形机器人样机，[3]沈阳自动化研究所研制了一种水陆两栖蛇形机器人探查者Ⅲ。另外，华南理工大学、东北大学、燕山大学等也对蛇形机器人的典型运动方式和控制方法进行了研究。

3.推进器布置方案

3.1推进器的选择

高性能的推进技术是水下机器人运动的关键技术，因此本装置选用导管式螺旋桨，通过在螺旋桨外罩一个专门设计的导管使螺旋桨在低速条件下的正向效率获得20%的提升，此推进形式非常适用于水下机器人。

3.2推进器的布置原则

推进器分别布置在本装置的纵向、横向、垂向三个方位，使本装置实现进退、升沉、横移运动，同时成对的推进器相对中心对称布置，螺旋桨形成正桨与反桨的配置，可以相互抵消转矩。

4.设计方案

4.1电源动力装置

分析比较液压驱动、气压驱动、电机驱动三种驱动方式后，选择定位精度高、结构紧凑的电机驱动作为本装置的动力元件，同时采用可充电式的18650锂电池组进行供电。

4.2附加装置

4.2.1图像采集模块

本装置前端的亚克力罩内安置L40A照明系统，使本装置能够在光源亮度不足的昏暗环境或光线衰减严重的水下进行照度补充，同时本装置第一节前端处安装有水下摄像头，该水下摄像系统通过低照度传感器来保证水下画质的清晰度，确保水中信息的捕获，使本产品能够在昏暗环境水下环境中清晰捕捉图像数据。

4.2.2声呐模块

本装置于第二节处设有水下声呐成像原位观测系统，该系统水下主动发射两种频率的声波，声波遇到物体反射回来被探头接收，经声学成像系统的信号处理可以在显示屏上显示物体的影像，使本装置运用声频“镜头”在昏暗的水体中实现军事侦察、情报搜集、海底矿藏调查等工作。

4.2.3水下定位模块

本产品使用rackLink1500MA水下定位系统，其作用距离可达1500m，覆盖范围达到120°至150°，系统定位精度优于2.5m，转配MPU6050陀螺仪芯片，保证航行过程中的姿态。

5.创新特色

（1）本装置是一种多自由度的移动机器人，相比其他水下机器人可以更加灵活的适应各种复杂的水下环境。

（2）本装置采用模块化的蛇形机器人骨架设计，可以根据任务需求自由组合或者更换模块来实现新的功能。如在不同应用场合搭载不同的载荷模块，在水下实现更换抓取器或清洁刷等可拆卸部件以完成输油管道的检查和钻井平台水下结构的检修。

（3）本装置仿照生物蛇的形态，具有较小的横截面积，能够进入狭窄的环境中进行作业，适用范围广阔。

6.应用前景

由于本装置具备高灵活性的优越性，使本装置主要用于水下复杂结构体的检修，同时，由于采用模块化设计，通过更换不同模块将使本装置在军事、海上救援等方面也有重要的应用。

7.结语

随着我国海洋强国建设的大力推进，近年来海洋平台的数量大大增加，水下设施检修成为必不可少的一部分，本装置以其灵活主体结构和狭窄横截面积为未来水下结构体的安全监测与维护提供了新的选择。

参考文献：

[1]郁树梅，王明辉，马书根.水陆两栖蛇形机器人的研制及其陆地和水下步态[J].机械工程学报，2012，48（9）：18-25.

[2]陈丽，王越超，李斌.蛇形机器人研究现况与进展[J].机器人，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.