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摘要：本文設計了一種可閉環(huán)控制的多功能水中蛇形機器人，主要解決現有無(wú)人潛水器不能進(jìn)行運動(dòng)姿態(tài)調整、續航能力低且功能較為單一的問(wèn)題。蛇體內部裝有的三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁力計可用于實(shí)時(shí)采集蛇形機器人運動(dòng)時(shí)的加速度大小和方向、轉向時(shí)的角速度和所處的方位，通過(guò)Kalman濾波算法對這九軸數據進(jìn)行融合，可以得出機器人在行進(jìn)時(shí)較為準確的航向角運動(dòng)檢測和定位功能;蛇體外表面覆蓋有柔性太陽(yáng)能電池板，可在電池電量不足時(shí)浮出水面進(jìn)行充電;蛇體前端的可伸縮式機械臂、旋轉鉆頭和探照燈，可用于水中作業(yè);蛇體內的無(wú)線(xiàn)攝像頭及多種傳感器采集的信息經(jīng)無(wú)線(xiàn)數傳模塊實(shí)時(shí)傳輸至人機界面，人機界面也可以對蛇體進(jìn)行遠程控制。通過(guò)人機界面與蛇體之間的交互，可以實(shí)現自動(dòng)跟蹤水下物體、顯示蛇體運動(dòng)路徑、顯示蛇體三維姿態(tài)、控制機械臂、圖像化顯示傳感器數據等功能。 引言 在自然界中，生物蛇具有運動(dòng)方式多變、良好的環(huán)境適應性及運動(dòng)穩定性等典型特點(diǎn)，仿生機械學(xué)中模仿生物蛇的蛇形機器，它具有結構合理、控制靈活、性能可靠、可擴展性強等特性。蛇形機器人是一種高冗余度移動(dòng)機器人，具有多于確定機器人空間位置和姿態(tài)所需的自由度，使得它可以摹仿生物蛇的無(wú)肢運動(dòng)，蛇形機器人的這些特點(diǎn)使得它在復雜的海洋環(huán)境勘測中具有廣闊的應用前景，如軍事偵察、海底礦藏調查、輸油管道檢查、鉆井平臺水下結構檢修、電纜檢查、水下考古、海上養殖及江河水庫的大壩檢查等領(lǐng)域。 1 系統總體設計 采用STM32作為主控制器，它通過(guò)異步串口通訊將控制指令分別傳輸給16路舵機控制器、無(wú)線(xiàn)攝像頭、直流電機控制器和探照燈;主控制器與人機界面、十自由度傳感器、電量檢測模塊、溫濕度傳感器組和體外壓力傳感器之間實(shí)現了數據的雙向傳輸;舵機控制器可發(fā)送16路獨立的PWM波給舵機，以實(shí)現對機器人運動(dòng)姿態(tài)的控制，并與十自由度傳感器結合實(shí)現了對蛇體的閉環(huán)控制。電氣系統整體架構如圖1所示。 其次，一個(gè)重要的作用便是通過(guò)異步串口通訊方式實(shí)現與iNEMO board的通訊，使用開(kāi)發(fā)板板載的慣性測量傳感器，將三軸加速度計、三軸陀螺儀以及由三軸磁力計制作的電子羅盤(pán)所得出的數據融合起來(lái)，通過(guò)Kalman濾波算法克服了加速計在運動(dòng)情況下的角度不穩定同時(shí)也防止了陀螺儀的累積誤差，從而可得出相對較為準確的航向角。 2 傳感器應用方式 (1)LPS331AP 氣壓計，用于檢測蛇體內部的密閉性，在下水之前，通過(guò)人工給蛇體內部增壓到一定值停止，觀(guān)察氣壓計的讀數是否在一定時(shí)間內大幅度下降，從而判斷蛇體的密閉性。 (2)LSM303DLHC加速計與磁力計和L3GD20陀螺儀，通過(guò)LSM303DLHC三軸加速度計、三軸磁力計以及L3GD20三軸陀螺儀9軸的數據融合得到較為精確的航姿參數：pitch_angular、roll_angular、yaw_angular，并把它們傳送給STM32核心控制板，控制板通過(guò)接收的參數判斷當前蛇體所處的運動(dòng)姿態(tài)，進(jìn)而對其進(jìn)行控制。 (3)板載的溫度傳感器可用于測量蛇體內的溫度變換情況。 (4)PH電極傳感器，用于測量水中的PH(實(shí)際未使用該傳感器，該項功能作為保留)。 另外一個(gè)作用便是通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊把開(kāi)發(fā)板搭載的傳感器感知的環(huán)境信息以及機器人整體的姿態(tài)信息反饋給地面PC控制終端，并實(shí)時(shí)地把傳感器信息顯示在基于LabView開(kāi)發(fā)的上位機窗口中，同時(shí)上位機窗口中可以選擇水蛇運動(dòng)的模式，包括前行、后退、轉彎、上游、下潛、上浮、下沉、調速等，并把控制指令通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊傳給主控制板。 3 數據融合的理論推導 由加速度計、陀螺儀、磁力計及運算單元構成的航姿參考系統，能夠為蛇形機器人提供航向、橫滾和側翻信息，用來(lái)為機器人提供準確可靠的姿態(tài)與航行信息，其內部對多傳感器數據進(jìn)行融合的航姿解算單元為卡爾曼濾波器。 4 方案設計實(shí)現 4.1 攝像頭模塊 攝像頭擬采用usb 2.4G無(wú)線(xiàn)攝像頭，獨立于主控制板之外，攝像頭采集的圖像信息直接傳給地面控制終端，由專(zhuān)用接收器接收并顯示在PC上位機窗口中。 4.2 驅動(dòng)關(guān)節設計 蛇形機器人每個(gè)關(guān)節處采用兩個(gè)舵機進(jìn)行正交連接，實(shí)現每個(gè)關(guān)節2個(gè)自由度的控制，使得蛇形機器人能夠在三維空間運動(dòng)，如圖2與圖3所示。 4.3 供電系統 采用11.1V，4000Mah，20C鋰電池組為整個(gè)系統供電，為提高機器人的續航能力，采用太陽(yáng)能電池板通過(guò)升壓電路對鋰電池進(jìn)行充電，機器人外殼采用透明材料(取自空飲料瓶)，內表面覆蓋柔性太陽(yáng)能電池板，通過(guò)多塊柔性太陽(yáng)能電池板串并聯(lián)可實(shí)現對鋰電池12V/2W充電，太陽(yáng)能電池板對鋰電池充電時(shí)，機器人漂浮在水面上(實(shí)際作品未使用太陽(yáng)能電池板，該項功能保留，待后續開(kāi)發(fā))。 4. 4 人機界面HMI的開(kāi)發(fā) 這里使用自動(dòng)化組態(tài)軟件LabView來(lái)開(kāi)發(fā)蛇形機器人的人機界面，其工作流程圖如圖4所示。 5 測試與驗證 5. 1 Maya運動(dòng)仿真 從整個(gè)制作的過(guò)程來(lái)看，機器人整體的機械結構設計較為復雜，但是最終還是完成了結構的設計、加工與裝配。運動(dòng)姿態(tài)在Maya軟件上進(jìn)行了仿真測試，為蛇形機器人的步態(tài)設計帶來(lái)了方便，如圖9所示。 5. 2 實(shí)驗室測試 在Maya軟件上實(shí)現了蛇形機器人的動(dòng)態(tài)仿真后，在實(shí)驗室進(jìn)行了“懸空測試”，驗證所設計的步態(tài)的可靠性，如圖10所示。 5. 3 下水測試 為了進(jìn)一步驗證步態(tài)設計的實(shí)際可行性以及蛇形機器人的整體防水性，團隊進(jìn)行了一次下水試驗。試驗結果表明，由于蛇形機器人自身的重力略小于其所能達到的最大浮力，蛇形機器人在水中靜止狀態(tài)下可以實(shí)現漂浮，與理論計算結果相符，在水面上的二維蜿蜒步態(tài)運動(dòng)效果較好，如圖11所示。 6 總結與展望 6. 1 創(chuàng )新之處 (1)借助于iNEMO board，使得讓原本開(kāi)環(huán)的蛇形機器人系統實(shí)現了閉環(huán)控制，相比于傳統各類(lèi)蛇形機器人的開(kāi)環(huán)控制有了巨大的突破。 (2)正交連接的舵機組成的動(dòng)力結構實(shí)現了機器人的三維運動(dòng)，使得運動(dòng)姿態(tài)更加豐富，應用領(lǐng)域也會(huì )更加廣泛。 (3)模塊化的蛇形機器人骨架設計思想，使得某一關(guān)節出現問(wèn)題時(shí)可以進(jìn)行獨立更換。 (4)基于LabView制作的上位機軟件功能強大，實(shí)現了各種數據和指令的實(shí)時(shí)傳輸以及攝像頭捕捉到的視頻顯示。 6. 2 展望 蛇形機器人是一種新型的仿生物機器人，與傳統的輪式或兩足步行式機器人不同的是，它實(shí)現了像蛇一樣的“無(wú)肢運動(dòng)”，是機器人運動(dòng)方式的一個(gè)突破，具有結構合理、控制靈活、性能可靠、可擴展性強等優(yōu)點(diǎn)。 本文設計的水下蛇形機器人希望將來(lái)能夠在海洋復雜環(huán)境勘測中得到應用，如軍事偵察、海底礦藏調查、輸油管道檢查、鉆井平臺水下結構檢修、電纜檢查、水下考古、海上養殖及江河水庫的大壩檢查等領(lǐng)域。 參考文獻： [1]葉長(cháng)龍,關(guān)鼎.蛇形機器人的耦合驅動(dòng)模塊化單元設計[A].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2004:13-17 [2] 趙鐵石,林永光,繆磊,等.一種基于空間連桿機構的蛇形機器人[A].機器人. 2006:9-13 [3]汪洋,李斌,陳麗,等.蛇形機器人控制系統的設計與實(shí)現[B].機器人.2003:17-25 4]盧振利,馬書(shū)根,李斌,等.基于循環(huán)抑制CPG模型控制的蛇形機器人蜿蜒運動(dòng).自動(dòng)化學(xué)報.2006:23-28 [5]葉長(cháng)龍,馬書(shū)根,李斌,等.三維蛇形機器人巡視者II的開(kāi)發(fā)[J].機械工程學(xué)報. 2009:38-45 [6]左志堅,馬書(shū)根,李斌,等.蛇形機器人水下蜿蜒運動(dòng)的仿真研究. 2008.5-10 [7]CRESPI A, ANDRE B, ANDRE G,et al..AmphiBot I: Anamphibious snake-like robot[C], Robotics and Autonomous Systems, v 50,n 4, Mar 31,2005,Biometric Robotics,p 163-175 [8]CRESPI A ,IJDPEERT A J. AmphiBot II: An amphibious snake robot that crawls and swims using a central pattern generator[C], Proc. 9th Int. Conf. Climbingand Walking Robots,2006,pp.19-27 [9] YAMADA H,CHIGISAKI S, MORI M,et al.. Development of Amphibious Snake-like Robot ACM-R5[C].Int.Symposium on Robotics.Vol.36.2005.133 [10] Alessandro Crespi, Andre Badertscher, Andre Guignard and Auke Jan Ijspeet,Swimming and Crawling with an Amphibious Snake Robot [C],Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation,Barcelona,Spain, April.2005,3024-3028 |
