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水下蛇形环境勘测机器人

作者:王新怀 李小双 何伟键 黄子明 黄原成 金杰 时间:2015-10-09来源:电子产品世界收藏
编者按:本文设计了一种可闭环控制的多功能水中蛇形机器人,主要解决现有无人潜水器不能进行运动姿态调整、续航能力低且功能较为单一的问题。蛇体内部装有的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计可用于实时采集蛇形机器人运动时的加速度大小和方向、转向时的角速度和所处的方位,通过Kalman滤波算法对这九轴数据进行融合,可以得出机器人在行进时较为准确的航向角运动检测和定位功能;蛇体外表面覆盖有柔性太阳能电池板,可在电池电量不足时浮出水面进行充电;蛇体前端的可伸缩式机械臂、旋转钻头和探照灯,可用于水中作业;蛇体内的无线摄像头及多种

  摄像头拟采用usb 2.4G无线摄像头,独立于主控制板之外,摄像头采集的图像信息直接传给地面控制终端,由专用接收器接收并显示在PC上位机窗口中。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/280696.htm


4.2 驱动关节设计

  每个关节处采用两个舵机进行正交连接,实现每个关节2个自由度的控制,使得能够在三维空间运动,如图2与图3所示。

4.3 供电系统

  采用11.1V,4000Mah,20C锂电池组为整个系统供电,为提高机器人的续航能力,采用太阳能电池板通过升压电路对锂电池进行充电,机器人外壳采用透明材料(取自空饮料瓶),内表面覆盖柔性太阳能电池板,通过多块柔性太阳能电池板串并联可实现对锂电池12V/2W充电,太阳能电池板对锂电池充电时,机器人漂浮在水面上(实际作品未使用太阳能电池板,该项功能保留,待后续开发)。

4. 4 HMI的开发

  这里使用自动化组态软件LabView来开发,其工作流程图如图4所示。

5 测试与验证

5. 1 Maya运动仿真

  从整个制作的过程来看,机器人整体的机械结构设计较为复杂,但是最终还是完成了结构的设计、加工与装配。运动姿态在Maya软件上进行了仿真测试,为蛇形机器人的步态设计带来了方便,如图9所示。

5. 2 实验室测试

  在Maya软件上实现了蛇形机器人的动态仿真后,在实验室进行了“悬空测试”,验证所设计的步态的可靠性,如图10所示。

5. 3 下水测试

  为了进一步验证步态设计的实际可行性以及蛇形机器人的整体防水性,团队进行了一次下水试验。试验结果表明,由于蛇形机器人自身的重力略小于其所能达到的最大浮力,蛇形机器人在水中静止状态下可以实现漂浮,与理论计算结果相符,在水面上的二维蜿蜒步态运动效果较好,如图11所示。

6 总结与展望

6. 1 创新之处

  (1)借助于iNEMO board,使得让原本开环的蛇形机器人系统实现了闭环控制,相比于传统各类蛇形机器人的开环控制有了巨大的突破。

  (2)正交连接的舵机组成的动力结构实现了机器人的三维运动,使得运动姿态更加丰富,应用领域也会更加广泛。

  (3)模块化的蛇形机器人骨架设计思想,使得某一关节出现问题时可以进行独立更换。

  (4)基于LabView制作的上位机软件功能强大,实现了各种数据和指令的实时传输以及摄像头捕捉到的视频显示。

6. 2 展望

  蛇形机器人是一种新型的仿生物机器人,与传统的轮式或两足步行式机器人不同的是,它实现了像蛇一样的“无肢运动”,是机器人运动方式的一个突破,具有结构合理、控制灵活、性能可靠、可扩展性强等优点。

  本文设计的水下蛇形机器人希望将来能够在海洋复杂环境勘测中得到应用,如军事侦察、海底矿藏调查、输油管道检查、钻井平台水下结构检修、电缆检查、水下考古、海上养殖及江河水库的大坝检查等领域。

参考文献:

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