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
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。
2.1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。
圖3 程序流程圖
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。
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
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.
[4]陳麗,王越超,馬書根等.仿生機(jī)器蛇側(cè)向運(yùn)動(dòng)的研究[J].2003,25(3):246-249.
[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。