一种蛇形水面救援机器人及其控制方法与流程

本发明属于特种机器人设备技术领域，具体为一种蛇形水面救援机器人及其控制方法，主要用于无障碍水面环境下落水人员的自动救援。

背景技术：

水上安全是关系到国计民生的一件大事，一旦水面运输系统发生事故，将造成无法弥补的人员伤亡。由于我国经济建设的飞速发展，人们参与海洋、江河的生产生活日益频繁，范围越来越广泛。随着人们与江河湖泊接触越来越密集，在人们处在水中作业的过程中，如果不慎发生溺水事故，而又不能及时得到救援，将引起无法挽回的后果。水中救援设备是救援过程中的关键设备，其工作状况直接关系到救援过程的时效性和成功性，在发展国民经济以及建设现代化社会等方面都具有举足轻重的作用。现今，全国各地溺水事件越来越频繁，人类社会向信息自动化时代快速迈进，水中救援向大范围、深水域方向快速发展，对救援设备的时效性和可靠性提出了更高要求。目前救援设备相对比较落后，且自动化程度较低，而工作人员力量相对减少，在此背景下，传统的人工救援方式已难以满足现代化救援发展需求，须向机器人智能救援方向转变。目前我国采取的主要救援方式是由救援人员乘坐水面船只进行人工救援，使用的救援设备多为无动力装置的救生圈、救生衣，人工救援存在易受天气影响、劳动强度大、工作效率低、管理成本高、主观因素多、时效性差、难以监控、危险系数大等缺陷，不符合以“信息化、数字化、自动化、智能化”为特征的现代社会服务模式的发展趋势。而且这种人工救援虽然具有一定的应变性，但时效性较差，水面救援过程中时间就是生命，从接到救援任务到抵达救援现场往往需要较长时间。同时，人工救援对施救者的生命安全也构成一定威胁，自身安全得不到保障。

技术实现要素：

在全天候、宽水域等复杂背景下，设计了一种蛇形水面救援机器人及其控制方法，可以完成对相应水域水面情况、周边救援信号等进行监控，进而实施相应水域危情自动救援，及时挽救落水人员，提高水中救援的自动化程度，保证水中救援的成功率。本发明要解决的问题是提供一种自动化程度高、密封性能好、时效性好、准确性高，能保证救援效率的蛇形水面救援机器人及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种蛇形水面救援机器人，包括蛇形机体前分段、蛇形机体中段及蛇形机体后分段，所述蛇形机体中段两端分别通过可变形关节与蛇形机体前分段及蛇形机体后分段连接。

所述蛇形机体中段包括中段壳体，所述中段壳体顶部设置有中段舱盖，且中段舱盖上设置有启动开关，中段壳体内部形成中段密封舱室，且在中段密封舱室两侧设置有线路管道口，中段密封舱室的中间部分为控制器舱室，控制器舱室内安装有控制器、蜂鸣器、无线通讯模块及图传模块，且蜂鸣器和无线通讯模块分别通过导线与控制器相连，所述中段舱盖上嵌入图传模块的针孔摄像头。

所述可变形关节包括上基座、法兰盘轴、轴承、联轴器、支架、舵机及舵机座，所述法兰盘轴通过其法兰盘与上基座一端通过螺栓连接，法兰盘轴的轴段外圆面通过轴承与支架同轴套装，且法兰盘轴的轴段伸出轴承部分通过联轴器与舵机的输出轴连接，舵机通过螺栓固定在舵机座一端，舵机座另一端与蛇形机体中段的中段壳体铰接，舵机通过导线与控制器连接。

所述蛇形机体前分段与蛇形机体后分段结构相同，均包括分段壳体，分段壳体上安装有舱盖，分段壳体内部形成分段密封舱室，分段壳体的剖面成子弹型，分段密封舱室内依次分隔成电子元器件舱室及内嵌电池舱室，且电子元器件舱室靠近蛇形机体中段设置，内嵌电池舱室内安装有蓄电池，电子元器件舱室内置连接蓄电池与底盘推进器无刷电机的电子调速器、连接蓄电池与控制器的电源电压检测器和dc-dc直流可调降压稳压电源模块，所述蓄电池与图传模块连接，所述分段壳体底部通过螺栓安装有鳍及推进器安装座，推进器安装座上安装有底盘推进器。

一种蛇形水面救援机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，当救援人员与救援机器人配合完成救援时，救援人员打开救援机器人蛇形机体中段的启动开关，控制器上电后，首先通过电源电压检测器检测蓄电池供给电压，若电压过低将触发低压报警器报警，提示充电处理；否则正常启动，实现救援机器人无线通讯模块与手持操作器内嵌的无线通讯模块对接，随后将三角锁定状态台下的救援机器人投入待救援水域中；

步骤2，地面上的救援工作人员按下手持操作器上的三角形转换成直线形解锁按键，并通过无线通讯模块将解锁指令发送至救援机器人上与控制器连接的无线通讯模块，控制器收到解锁指令后控制救援机器人可变形关节处的舵机工作进行解锁，蛇形机体前分段和蛇形机体后分段转动方向相反，且两者同时作用于蛇形机体中段，保证蛇形机体中段相对固定完成解锁，救援机器人解锁后从三角形状态变形成直线形状态，此时蛇形机体前分段和蛇形机体后分段上的底盘推进器处于同一直线上，救援机器人在直线状态下，由于救援机器人进行了质心偏移和柱状外形的设计，因此可以自行调整姿态进入运动准备阶段；

步骤3，救援人员根据救援机器人与落水者的相对位置，控制救援机器人底盘推进器朝向落水者方向以阻力最小的直线形快速驶去，中途救援机器人若方向飘移，救援人员通过按下手持控制器上的c形调节摇杆，并通过无线通讯模块将c形状态指令发送至救援机器人上与控制器连接的无线通讯模块进行变形，控制器收到变形指令后控制救援机器人可变形关节处的舵机工作，带动蛇形机体前分段和蛇形机体后分段转动，使救援机器人变换成c形进行方向调整，此时蛇形机体前分段及蛇形机体后分段与蛇形机体中段之间形成0～±30°的夹角，从而改变两个底盘推进器的相对位姿呈非直线状态，导致两底盘推进器推力方向不共线，进而实现调整机器人运动方向的目的，调整后救援人员按下手持操作器上的c形转成直线形解锁按钮，并通过无线通讯模块将解锁指令发送至救援机器人上与控制器连接的无线通讯模块进行解锁，控制器收到解锁指令后控制救援机器人可变形关节处的舵机工作，带动蛇形机体前分段和蛇形机体后分段转动至直线状态，救援人员不断通过其视觉观察并结合图传模块上的针孔摄像头反馈到手持操作器的图传显示屏上的图像信息，对救援机器人进行行进控制直至到达落水者的落水点处；

步骤4，到达落水者落水点后，救援人员按下手持操作器上的u形启动按钮，并通过无线通讯模块将u形状态指令发送至救援机器人上与控制器连接的无线通讯模块进行变形，控制器收到变形指令后控制救援机器人可变形关节处的舵机工作，带动蛇形机体前分段和蛇形机体后分段转动，救援机器人变形为u形状态，控制器将切换此状态下救援机器人运动控制模式，通过控制蛇形机体形前分段和蛇形机体后分段上处于非共线平行状态的底盘推进器差速运动实现救援机器人的姿态调整，并且通过底盘推进器的正转和反转以及结合针孔摄像头反馈的图像信息使救援机器人的u形缺口对准落水者，搭载落水者之后，u形状态下的机器人通过底盘推进器的正反转动推进救援机器人返航，并且通过设置于蛇形机体前分段及蛇形机体后分段上的底盘推进器的差速运动调整救援机器人的姿态，避免发生方向偏移，直至运行到安全区域。

本发明的有益效果为：

1.本发明救援机器人为两自由度蛇形机体，并且将救援机器人抛入水域后，其通过质心偏移和柱状外形的设计自行调整姿态进入运动准备阶段；各部分结构紧凑，可靠性强，能够实现在1000m范围内的快速救援。

2.救援机器人能够完成三角形、直线形、c形及u形不同状态的变换，救援机器人以直线形状态结合c形状态运行驶到落水者水域，直线形状态下运行出现方向偏差可以通过c形状态进行方向调整，直线形运行前进阻力最小，运行速度最快，极大提高救援的时效性。救援机器人通过u形缺口成功搭载落水者，u形状态下姿态调节更加灵活，便于搭载落水者，成功救援后控制机器人返航驶向安全地带。整个救援过程都是由机械自动实现，人工操作简单、自动化程度高，准确性好，能保证救援的时效性和工作的安全性。

3.本发明结构简单、新颖，易于实现，能够实现自动化救援，使用范围广泛。且能配合人工救援，搭载落水者快速到达救援地点，应变性能好，极大地改善了救援工作条件，提高了救援成功率。

4.本发明救援机器人的蛇形机体前分段、蛇形机体中段及蛇形机体后分段通过3d打印机增量成型，通过3d打印机增量成型技术，将救援机器人内部结构一次性成型，保证了各分段的密封效果，起到很好的防水密封的效果。

附图说明

图1为蛇形水面救援机器人的整体结构示意图；

图2为蛇形水面救援机器人剖视图；

图3为蛇形水面救援机器人的可变形关节结构示意图；

图4为蛇形水面救援机器人不同变形状态结构示意图，其中图4(a)蛇形水面救援机器人变形为三角形，图4(b)蛇形水面救援机器人变形为直线形，图4(c)蛇形水面救援机器人变形为u形；图4(d)蛇形水面救援机器人变形为c形；

图5为蛇形水面救援机器人救援过程动态简图；

1-蛇形机体中段、101-中段密封舱室、102-控制器舱室、2-可变形关节、201-上基座、202-法兰盘轴、203-轴承、204-联轴器、205-支架、206-舵机、207-舵机座、3-分段舱盖、4-分段密封舱室、5-蛇形机体前分段、6-蛇形机体后分段、7-中段舱盖、8-电子元器件舱室、9-内嵌电池舱室、10-鳍、11-分段壳体、12-底盘推进器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图5所示，一种蛇形水面救援机器人，包括蛇形机体前分段5、蛇形机体中段1及蛇形机体后分段6，所述蛇形机体中段1两端分别通过可变形关节2与蛇形机体前分段5及蛇形机体后分段6连接。

所述蛇形机体中段1包括中段壳体，所述中段壳体顶部设置有中段舱盖7，且中段舱盖7上设置有启动开关，中段壳体内部形成中段密封舱室101，且在中段密封舱室101两侧设置有线路管道口，中段密封舱室101的中间部分为控制器舱室102，控制器舱室102内安装有控制器、蜂鸣器、无线通讯模块及图传模块，且蜂鸣器和无线通讯模块分别通过导线与控制器相连，所述中段舱盖7上嵌入图传模块的针孔摄像头，控制器型号为mega2560r3，蜂鸣器型号为1407，无线通讯模块型号为fs-ia6b，图传模块型号为lbrx-5.8g-1000。

所述可变形关节2包括上基座201、法兰盘轴202、轴承203、联轴器204、支架205、舵机206及舵机座207，所述法兰盘轴202通过其法兰盘与上基座201一端通过螺栓连接，法兰盘轴202的轴段外圆面通过轴承203与支架205同轴套装，且法兰盘轴202的轴段伸出轴承203部分通过联轴器204与舵机206的输出轴连接，舵机206通过螺栓固定在舵机座207一端，舵机座207另一端与蛇形机体中段1的中段壳体铰接，舵机206通过导线与控制器连接，舵机206型号为s9177sv。

所述蛇形机体前分段5与蛇形机体后分段6结构相同，均包括分段壳体11，分段壳体11上安装有分段舱盖3，分段壳体11内部形成分段密封舱室4，分段壳体11的剖面成子弹型，分段密封舱室4内依次分隔成电子元器件舱室8及内嵌电池舱室9，且电子元器件舱室8靠近蛇形机体中段1设置，内嵌电池舱室9内安装有蓄电池，电子元器件舱室8内置连接蓄电池与底盘推进器12无刷电机的电子调速器、连接蓄电池与控制器的电源电压检测器和dc-dc直流可调降压稳压电源模块，所述蓄电池与图传模块连接，所述分段壳体11底部通过螺栓安装有鳍10及推进器安装座，推进器安装座上安装有底盘推进器12，且两个底板推进器12的推进方向一致，蓄电池型号为18650，电源电压检测器型号为r3160x，dc-dc直流可调降压稳压电源模块型号为lm2596s，底盘推进器型号为t60，电子调速器型号为shark-50a。

一种蛇形水面救援机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，当救援人员与救援机器人配合完成救援时，救援人员打开救援机器人蛇形机体中段1的启动开关，控制器上电后，首先通过电源电压检测器检测蓄电池供给电压，若电压过低将触发低压报警器报警，提示充电处理；否则正常启动，实现救援机器人无线通讯模块与手持操作器内嵌的无线通讯模块对接，随后将三角锁定状态台下的救援机器人投入待救援水域中；

步骤2，地面上的救援工作人员按下手持操作器上的三角形转换成直线形解锁按键，手持操作器型号为fs-i6，并通过无线通讯模块将解锁指令发送至救援机器人上与控制器连接的无线通讯模块，控制器收到解锁指令后控制救援机器人可变形关节2处的舵机206工作进行解锁，蛇形机体前分段5和蛇形机体后分段6转动方向相反，且两者同时作用于蛇形机体中段1，保证蛇形机体中段1相对固定完成解锁，救援机器人解锁后从三角形状态变形成直线形状态，此时蛇形机体前分段5和蛇形机体后分段6上的底盘推进器12处于同一直线上，救援机器人在直线状态下，由于救援机器人进行了质心偏移和柱状外形的设计，因此可以自行调整姿态进入运动准备阶段；

步骤3，救援人员根据救援机器人与落水者的相对位置，控制救援机器人底盘推进器12朝向落水者方向以阻力最小的直线形快速驶去，中途救援机器人若方向飘移，救援人员通过按下手持控制器上的c形调节摇杆，并通过无线通讯模块将c形状态指令发送至救援机器人上与控制器连接的无线通讯模块进行变形，控制器收到变形指令后控制救援机器人可变形关节2处的舵机206工作，带动蛇形机体前分段5和蛇形机体后分段6转动，此时蛇形机体前分段5和蛇形机体后分段6转动方向相反，使救援机器人变换成c形进行方向调整，从而改变两个底盘推进器12的相对位姿呈非直线状态，导致两底盘推进器12推力方向不共线，进而实现调整机器人运动方向的目的，调整后救援人员按下手持操作器上的c形转成直线形解锁按钮，并通过无线通讯模块将解锁指令发送至救援机器人上与控制器连接的无线通讯模块进行解锁，控制器收到解锁指令后控制救援机器人可变形关节2处的舵机206工作，带动蛇形机体前分段5和蛇形机体后分段6转动至直线状态，救援人员不断通过其视觉观察并结合图传模块上的针孔摄像头反馈到手持操作器的图传显示屏上的图像信息，对救援机器人进行行进控制直至到达落水者的落水点处；

步骤4，到达落水者落水点后，救援人员按下手持操作器上的u形启动按钮，并通过无线通讯模块将u形状态指令发送至救援机器人上与控制器连接的无线通讯模块进行变形，控制器收到变形指令后控制救援机器人可变形关节2处的舵机206工作，带动蛇形机体前分段5和蛇形机体后分段6转动，救援机器人变形为u形状态，控制器将切换此状态下救援机器人运动控制模式，通过控制蛇形机体形前分段和蛇形机体后分段6上处于非共线平行状态的底盘推进器12差速运动实现救援机器人的姿态调整，并且通过底盘推进器12的正转和反转以及结合针孔摄像头反馈的图像信息使救援机器人的u形缺口对准落水者，搭载落水者之后，u形状态下的机器人通过底盘推进器12的正反转动推进救援机器人返航，并且通过设置于蛇形机体前分段5及蛇形机体后分段6上的底盘推进器12的差速运动调整救援机器人的姿态，避免发生方向偏移，直至运行到安全区域。

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