濱州學(xué)院　蔣　波　孫翠玲

水陸兩棲蛇形救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)

濱州學(xué)院蔣波孫翠玲

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，是一種新型多功能水陸兩棲蛇形機(jī)器人，共有七節(jié)組成（不包括頭部和尾部），通過仿生蛇運(yùn)動(dòng)原理，關(guān)節(jié)處可以相互偏轉(zhuǎn)以及俯仰運(yùn)動(dòng)，各舵機(jī)之間可以產(chǎn)生相對(duì)的偏轉(zhuǎn)擺動(dòng)，從而產(chǎn)生相對(duì)摩擦力，推動(dòng)蛇形機(jī)器人向前移動(dòng)。該新型機(jī)器人不僅可以在陸地上爬行，還可以在水里蠕動(dòng)，適應(yīng)環(huán)境性較強(qiáng)，基于wifi功能，該機(jī)器人不僅可以傳輸現(xiàn)場(chǎng)圖像，還感應(yīng)人類生命跡象和現(xiàn)場(chǎng)溫濕度，并同時(shí)傳輸?shù)乩砦恢茫ㄗ鴺?biāo)）——從而為蛇形機(jī)器人增加了實(shí)際的救援功能。

水陸兩棲；仿生鱗片；救援

1　引言

仿生學(xué)的范圍很廣，譬如雷達(dá)是對(duì)蝙蝠超聲測(cè)距能力的模仿，而機(jī)翼使用的防震措施則借鑒了蜻蜓翅膀的結(jié)構(gòu)。仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)是仿生學(xué)的一個(gè)很重要的發(fā)展［1］。蛇形機(jī)器人的研究可以滿足一些行業(yè)的需求。蛇形機(jī)器人由于其天生的多關(guān)節(jié)、多自由度，多冗余自由度，可以有多種運(yùn)動(dòng)模式，可以滿足在復(fù)雜環(huán)境中搜救、偵查、排除爆炸物等反恐任務(wù)；航空航天領(lǐng)域可用其作為行星表面探測(cè)器，軌道衛(wèi)星的柔性手臂［2］；工業(yè)上則可應(yīng)用于多冗余度柔性機(jī)械手臂，管道機(jī)器人等方面［3］。本文研究水陸兩棲蛇形救援機(jī)器人可廣泛應(yīng)用在礦難或者地震中的求援等領(lǐng)域。

2　 水陸兩棲蛇形救援機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)

2.1水陸兩棲蛇形機(jī)器人的總體框架

本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)、電源模塊、舵機(jī)模塊、視頻模塊、傳感器模塊等組成。總體框架如圖1所示。

圖1　總體框架

2.2主控芯片

本系統(tǒng)是由Atmega16為核心，此單片機(jī)ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。具有高效能，低功耗等特點(diǎn)，有32個(gè)可編程的I/O口，40引腳的封裝，工作電壓2.7v～～5.5v。

2.3電源模塊

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由7個(gè)舵機(jī)以及眾多模塊組成，系統(tǒng)需要較高的功率，本設(shè)計(jì)采用外接電源進(jìn)行供電，并設(shè)計(jì)了電源模塊，是由L7805以及穩(wěn)壓電源組成。220穩(wěn)壓電源是輸入電壓為220v，輸出電壓為+12v/20A，主回路輸出有短路，過載保護(hù)，輸出電壓精度正負(fù)百分之五到正負(fù)百分之十，電源模塊最終輸出電源功率為30W。

2.4舵機(jī)模塊

2.4.1基本結(jié)構(gòu)

本模塊共有六節(jié)舵機(jī)組成。一節(jié)舵機(jī)主要由以下部分組成，如圖2所示。

（1）舵機(jī)MG995：進(jìn)行左右擺動(dòng)，仿生蛇運(yùn)動(dòng)原理。

（2）舵盤百腦通相影相影HD720P高清版規(guī)規(guī)矩矩的四方體機(jī)身類似一個(gè) 古董級(jí)的相機(jī)，機(jī)身采用拼合設(shè)計(jì)、造型新穎別致，不管是搭配筆記本電腦還是臺(tái)式機(jī)，在外觀方面都有很好的協(xié)調(diào)性。由于采用了金屬拉絲工藝底座和ABS面板 結(jié)構(gòu)，加上金屬灰表面工藝處理，讓這款產(chǎn)品的時(shí)尚感非常強(qiáng)；第三方：與U型支架相鏈接，固定舵機(jī)，使其產(chǎn)生向前的摩擦力。

（3）多功能舵機(jī)支架：緊扣住舵機(jī)，使其與下一節(jié)的舵機(jī)相連接。

（4）U型舵機(jī)支架：固定舵機(jī)，連接下一節(jié)的舵機(jī)支架。

（5）螺釘：關(guān)節(jié)連接處通過螺紋連接。

（6）L型舵機(jī)支架：固定舵機(jī)。

圖2　蛇形機(jī)器人舵機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2.4.2舵機(jī)主要參數(shù)

工作電壓：3.0V-7.2V，工作扭矩：13KG/cm，插頭規(guī)格:JR FUTABA通用，尺寸：40.7*19.7*42.9mm，結(jié)構(gòu)材質(zhì)：金屬銅齒，空心杯電機(jī)，雙滾珠軸承，重量：55g，反應(yīng)轉(zhuǎn)速：無負(fù)載速度0.17 秒/60度（4.8V）；0.13秒/60度（6.0V），使用溫度：-30—+60℃。

2.4.3舵機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

（1）根據(jù)蛇自身具有的鱗片，采用膠皮設(shè)計(jì)了仿生鱗片，提高摩擦系數(shù)，增加仿生蛇的前進(jìn)摩擦力。

（2）根據(jù)蛇前行的系統(tǒng)的姿勢(shì)，把7個(gè)舵機(jī)分成5個(gè)姿態(tài)組，每一個(gè)姿態(tài)組由3個(gè)舵機(jī)組成，3個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)伸縮和舒展的動(dòng)作［4］［5］，使之前進(jìn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從后到前姿態(tài)組依次運(yùn)行，使蛇前行。

（3）系統(tǒng)通過控制蛇前段的擺動(dòng)的幅度，來實(shí)現(xiàn)蛇的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。在蛇左轉(zhuǎn)時(shí)，蛇后端部分?jǐn)[動(dòng)幅度保持不變，前段幅度向左變大，向右變小，逐漸實(shí)現(xiàn)蛇的左右行走。多功能水陸兩棲蛇形救援機(jī)器人的舵機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù).

表1　蛇形救援機(jī)器人的舵機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

2.5視頻模塊

本設(shè)計(jì)采用的主芯片是AVRmega16單片機(jī)，采用的攝像頭為百腦通相影相影HD720P高清版攝像頭。打開攝像頭，經(jīng)過視頻音頻壓縮模塊壓縮處理視頻，通過AVR單片機(jī)控制wifi模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)诫娔X終端。

2.6無線傳輸模塊

采用NRF24L01無線通信模塊?？刂凭嚯x在100～200米內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多控制，具有使用簡單，易于操作和多信道的優(yōu)點(diǎn)。

2.7溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便，體積小，功耗低。

2.8遙控器模塊

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效和實(shí)時(shí)控制，我們自行設(shè)計(jì)了基于nrf24l01的無線控制遙控器，通過按鍵發(fā)送給系統(tǒng)相關(guān)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)前進(jìn)，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)以及攝像頭的上下和左右控制。采用迷你12864顯示接收到的溫濕度數(shù)據(jù)。此外該設(shè)計(jì)的操控器由主控芯片和液晶顯示屏和八個(gè)按鍵組成，按鍵分為兩部分，分別是控制蛇前行狀態(tài)以及攝像頭觀測(cè)角度。并配有液晶顯示屏，顯示接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效操作。

2.9舵機(jī)防水模塊

本系統(tǒng)的一大難點(diǎn)同樣也是重點(diǎn)就是防水，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)水中前進(jìn)的功能，所以我們采用了一下幾種方法進(jìn)行防水：（1）盡可能把各模塊進(jìn)行組合和拼接，然后使用防水板對(duì)模塊進(jìn)行封裝和密封，這樣不僅可以減輕系統(tǒng)的負(fù)載，同樣可以保護(hù)主控芯片。（2）在系統(tǒng)其他裸露在外的電源線和連接杜邦線使用防水乳膠就行保護(hù)，使電源線原理水，是線路和系統(tǒng)安全，免受損壞。（3）我們?cè)谠O(shè)計(jì)之前就對(duì)舵機(jī)和舵機(jī)支架進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此模塊在水中仍可運(yùn)行，自身具有防水功能，可直接接觸水。

3　機(jī)器人主要程序

圖3　程序流程圖

4　現(xiàn)場(chǎng)采集與信息傳輸

救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，存在許多潛在危險(xiǎn)，救援人員恐難進(jìn)入，但救援人員又必須準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，為救援工作創(chuàng)造有利的條件。通過高清攝像頭很好地解決了上述問題。為了實(shí)現(xiàn)多方位拍攝現(xiàn)場(chǎng)畫面，使用舵機(jī)來控制它的旋轉(zhuǎn)角度，水陸兩棲蛇形機(jī)器人能在兩棲復(fù)雜環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)正常的蠕動(dòng)，進(jìn)入小區(qū)間或者油性管道中實(shí)施作業(yè)畫面通過無線視頻傳輸模塊發(fā)送到上位機(jī)界面上，以供救援人員參考。溫濕度傳感器模塊也是救援機(jī)器人不可或缺的部分，及時(shí)給救援工作人員傳達(dá)相關(guān)的溫濕度基本信息。

5　實(shí)踐結(jié)果

基于AVR mega16單片機(jī)，設(shè)計(jì)了水陸兩棲的蛇形機(jī)器人，通過現(xiàn)演示說明，本設(shè)計(jì)具有一定的價(jià)值和實(shí)用性。

圖4　蛇形機(jī)器人樣機(jī)圖

圖5　攝像頭傳輸實(shí)時(shí)圖像

圖6　入水潛行

6　結(jié)論

該機(jī)器人不僅可以在陸地爬行，還可以在水里蠕動(dòng)，在陸地傳輸救援現(xiàn)場(chǎng)圖像、人類生存跡象、溫濕度，發(fā)明的模塊具有多個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)靈活。既可以設(shè)定程序自行蠕動(dòng)，又可以手動(dòng)遙控。蛇形機(jī)器人舵機(jī)整體通過防水乳膠進(jìn)行封裝，密封性好，防止模塊內(nèi)部進(jìn)水，從而完善和賦予蛇形機(jī)器人真正的意義。

［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］段占軍，黃毓瑜，王田苗.機(jī)器蛇三維運(yùn)動(dòng)仿真的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2005：201-204.

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［5］徐亮，王興松.蠕動(dòng)機(jī)器蛇的仿生設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2007，36（12）：79-83.

蔣波（1992-），山東菏澤人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于濱州學(xué)院交通運(yùn)輸（民航機(jī)務(wù)工程方向）專業(yè)。

項(xiàng)目名稱：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：水陸兩棲蛇形救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)，項(xiàng)目編號(hào)：201410449011。

孫翠玲。