王彥斌，李 燁，張 弛，沈榮天

（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

海上鉆井平臺(tái)和水下電纜等大型水下設(shè)備需要定期巡檢，損壞后如果不及時(shí)維修會(huì)造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。目前水下設(shè)備的檢修大多依靠人工檢修或AUV和ROV聯(lián)合檢修，但是從AUV發(fā)現(xiàn)目標(biāo)發(fā)出信號(hào)至母船接受信號(hào)并釋放ROV，這段時(shí)間目標(biāo)很可能移動(dòng)，但是ROV的運(yùn)動(dòng)范圍有限，無(wú)法繼續(xù)搜尋。所以目前人工檢修風(fēng)險(xiǎn)極高，AUV和ROV聯(lián)合檢修的成本高，效率低，并且存在操作復(fù)雜難以配合等不足。

因此市場(chǎng)亟需一種集巡航和定點(diǎn)作業(yè)能力于一體的水下機(jī)器人，本作品設(shè)計(jì)了一款集AUV巡航能力和ROV定點(diǎn)作業(yè)能力于一體的水下仿生機(jī)器人，解決巡航和定點(diǎn)作業(yè)無(wú)法快速配合的問(wèn)題。

1 總體設(shè)計(jì)

首先根據(jù)結(jié)合AUV巡航功能和ROV定點(diǎn)作業(yè)功能的需求，確定機(jī)器人航爬雙模式的工作方式。我們清楚目前腿式機(jī)器人在陸地上運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)越性，但是在水下速度并不能很出彩。軀干波動(dòng)式在水下流體環(huán)境中速度不俗，但是在陸地上就差強(qiáng)人意。所以根據(jù)作品的工作場(chǎng)景的獨(dú)立性將在水中游動(dòng)的最優(yōu)選擇和崎嶇地形爬行的最優(yōu)選擇相結(jié)合。

因此我們的作品將魚(yú)類的游動(dòng)和昆蟲(chóng)的爬行進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，既保證了游動(dòng)的效率和機(jī)動(dòng)性，又保證了在崎嶇地形的穩(wěn)定性。然后根據(jù)識(shí)別目標(biāo)、定點(diǎn)作業(yè)以及保持工作穩(wěn)定的要求，為機(jī)器人增添控制系統(tǒng)、CPG算法以及目標(biāo)識(shí)別功能。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)

因?yàn)槲覀兊淖髌芬邆湓谒泻叫泻秃５着佬械哪芰?，所以我們自主設(shè)計(jì)了一種可以將航行和爬行模式有機(jī)結(jié)合切換的機(jī)械系統(tǒng)。首先在游動(dòng)模式下，通過(guò)仿生機(jī)械魚(yú)尾擺動(dòng)，利用魚(yú)體波推進(jìn)方式游動(dòng)。在接近定點(diǎn)作業(yè)的目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，多航態(tài)水下仿生機(jī)器人由游動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到爬行模式，側(cè)鰭收在軀體下方，機(jī)械腿從軀體內(nèi)部展出，進(jìn)行爬行。精確到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，具有低能耗、低噪音、高效率的優(yōu)點(diǎn)。

3 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人的硬件架構(gòu)包括使命計(jì)算機(jī)和底層控制器。使命計(jì)算機(jī)采用NVIDIA Jetson TX2開(kāi)發(fā)板,底層控制器采用STM32H7。

底層控制器主板上設(shè)有USB接口以接受上位機(jī)指令，同時(shí)配備有R485接口和舵機(jī)控制模塊進(jìn)行舵機(jī)信號(hào)控制和舵機(jī)電流信號(hào)采集。

為了減小舵機(jī)大電流帶來(lái)的干擾，該作品將控制電路和大電流驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離。舵機(jī)供電采用了單獨(dú)的供電電路，舵機(jī)供電電路主要為舵機(jī)提供大功率輸出，避免發(fā)生因供電功率不足而造成舵機(jī)燒毀的問(wèn)題。此外，電源輸入端還加入防反接電路，對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，電路的模塊化分立設(shè)計(jì)有利于降低控制主板受到電磁信號(hào)的干擾。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 六足控制

仿生機(jī)器人在爬行模式下可簡(jiǎn)化為一個(gè)六足機(jī)器人，六足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)采用三足步態(tài)，即每3條腿作為1個(gè)運(yùn)動(dòng)組，同一運(yùn)動(dòng)組中的腿及其包含的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同。腿1、腿4和腿5為一組，腿2、腿3和腿6為一組。因此，機(jī)械腿上的18個(gè)關(guān)節(jié)也可以分為6組，關(guān)節(jié)2，4，6一組，關(guān)節(jié)3，5，7一組，關(guān)節(jié)9，13，17一組，關(guān)節(jié)8，12，16一組，關(guān)節(jié)11，15，19一組，關(guān)節(jié)10，14，18一組，每組關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同。

用1表示關(guān)節(jié)正轉(zhuǎn)，-1表示關(guān)節(jié)反轉(zhuǎn)，0表示關(guān)節(jié)不轉(zhuǎn)。

可得到慢速三足步態(tài)的步態(tài)矩陣為

步態(tài)矩陣為9×19矩陣，ri行向量表示一個(gè)步態(tài)周期中第i步各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，cj列向量表示第j個(gè)關(guān)節(jié)在一個(gè)步態(tài)周期中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。（其中，第1列表示底板的固定關(guān)節(jié)，第1行表示起始時(shí)的準(zhǔn)備步態(tài)，第2列到第9列表示循環(huán)步態(tài)。）

為了對(duì)仿生機(jī)器人的爬行模式進(jìn)行仿真，將模型導(dǎo)入到ADAMS中，添加材料屬性、連接關(guān)系、驅(qū)動(dòng)和接觸條件后，得到的仿真模型如圖2所示。為了方便觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況，添加了一個(gè)圓柱標(biāo)志物作為參照物，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)一步的過(guò)程如圖3所示。

圖2 六足機(jī)器人仿真模型

圖3 六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況如圖4所示，機(jī)器人的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期T=8 s可前進(jìn)55 mm。

圖4 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況

六足仿生機(jī)器人的特點(diǎn)是具有豐富的步態(tài)并且能在復(fù)雜路面上高效行走，存在多種步態(tài)，可以適應(yīng)不同步行速度和載荷的要求，冗余的肢體結(jié)構(gòu)，使其在失去若干肢體的情況下仍能繼續(xù)執(zhí)行一定的任務(wù)，提高了系統(tǒng)的可靠性[1]。

行為的步行控制結(jié)構(gòu)，應(yīng)用包容體系結(jié)構(gòu)，對(duì)任務(wù)進(jìn)行分層，各行為層以一種分等級(jí)（優(yōu)先級(jí)）的方式并行運(yùn)行，較高優(yōu)先級(jí)的行為層可以對(duì)較低優(yōu)先級(jí)的行為層的輸出進(jìn)行修正/抑制，即所謂的包容[2]。

4.2 游動(dòng)控制

借助仿真軟件ADAMS對(duì)尾巴及尾鰭機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將模型導(dǎo)入到ADAMS中并添加材料屬性、連接關(guān)系和驅(qū)動(dòng)，如圖5所示。

圖5 尾巴及尾鰭機(jī)構(gòu)仿真模型

仿真過(guò)程如圖6所示。

圖6 仿真過(guò)程圖

通過(guò)仿真得到各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角如圖7所示。

圖7 各轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)的角度

通過(guò)仿真可知，尾巴及尾鰭擺動(dòng)的周期為2 s，關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為30°，關(guān)節(jié)2轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為20°，關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為10°，與設(shè)計(jì)值吻合。

5 性能分析

表1 性能分析

6 結(jié)束語(yǔ)

近幾年隨著國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的逐漸落實(shí)以及通過(guò)5G加速商業(yè)化所透露出的對(duì)信息技術(shù)行業(yè)的大力支持，透露出海洋信息設(shè)備行業(yè)的火爆。而我們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的多航態(tài)水下仿生機(jī)器人具有極強(qiáng)的續(xù)航性、自主性與功能可拓展性，能有效提高水下作業(yè)的效率。我們的作品可以應(yīng)用于海底資源采樣、水下救援、水下電纜維修以及水產(chǎn)養(yǎng)殖等多種工作，能夠?yàn)閲?guó)家的海洋建設(shè)提供有力支持，為建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)事業(yè)添磚加瓦[3]。