水下搜救侦查救援机器人设计

摘 要：【目的】针对水下环境的特殊性和不确定性，设计了一款水下搜救侦查救援机器人，旨在提高救援效率，保障救援人员安全，减少溺水事故发生。【方法】该机器人集成了高精度传感器、机械臂、六螺旋桨动力系统、三维声呐和线性自抗扰控制器等设备，实现了水下环境的细致扫描、快速定位、精确救援和高效路径巡航。【结果】利用Solidworks三维软件对机械臂进行了有限元分析，确保其在多种工况下的稳定性和耐用性。【结论】本研究不仅提升了水下救援的技术水平，也为相关领域的智能化发展提供了宝贵的经验和技术支持。

关键词：水下搜救侦查救援机器人；机械臂；有限元分析

中图分类号：TH137.5" " " 文献标志码：A" "文章编号：1003-5168（2024）22-0052-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.011

Design of Underwater Search and Rescue Robot

Abstract： [Purposes] In view of the particularity and uncertainty of underwater environment， an underwater search and rescue robot was designed to improve the rescue efficiency， ensure the safety of rescuers and reduce drowning accidents. [Methods] The robot integrates high-precision sensor， mechanical arm， six-propeller power system， three-dimensional sonar and linear active disturbance rejection controller， and realizes detailed scanning， rapid positioning， accurate rescue and efficient path cruise of underwater environment. [Findings] The finite element analysis of the manipulator was carried out by using Solidworks three-dimensional software to ensure its stability and durability under various working conditions. [Conclusions] This study not only improves the technical level of underwater rescue， but also provides valuable experience and technical support for the intelligent development of related fields.

Keywords： underwater search and rescue robot; mechanical arm; finite element analysis

0 引言

海洋、江河和湖泊等水域中的意外事故往往给救援工作带来巨大挑战。传统的水下救援主要依赖于人力，效率有限。同时，现有设施的建设和运行质量普遍不高，配套设施不完善。如何高效地进行水下救援已成为当前社会面临的重要问题之一。

由于水下环境的特殊性和不确定性，搜救和侦查工作艰难。目前，救援行业正在朝着更加方便快捷的智能化方向发展［1］。梁能［2］研究了动态组网技术，提高了移动智能终端在复杂水下环境中的网络稳定性和可靠性。彭湃等［3］利用机器视觉技术对水下视觉成像进行分析和优化，增强了机器人视觉系统的适应性和鲁棒性。刘捷等［4］设计了水下清洗机器人控制系统，提高了机器人的清洗效率和操作精确性。盖超会等［5］基于双轴运动原理开发了水下探测机器人摄像云台系统，提升了机器人的水下探测能力。这些研究成果在水下救援方面取得了一定的进展，为该领域的进一步研究提供了重要的参考价值。

为有效提升水下搜救侦查效率，本研究拟设计一款水下搜救侦查机器人，用于执行水下救援任务。该机器人配备了机械臂和6个动力螺旋桨，能够高效地对水下事故进行救援。此外，它还配备了三维声呐和线性自抗扰控制器，能够勘测水下地形并执行高效的路径巡航。该设备的研发和设计将为水下救援提供有效的解决方案。

1 工作原理及设计思路

1.1 工作原理

水下搜救侦查救援机器人启动时，高精度传感器立即启动，对水下环境进行细致扫描，准确锁定被困者位置和潜在危险区域。该机器人的机械臂能够迅速无误地执行救援任务，将被困者执行转移到安全区域。搜救行动结束后，机器人通过数据记录系统记录下每次搜救行动的时间、地点、环境参数和救援结果，为救援工作积累了宝贵的经验并提供了数据支持［6］。该机器人展现出强大的环境适应能力，无论是在浑浊的水域还是暗流涌动的区域，都能稳定工作，扩大了救援行动的覆盖范围。

该水下搜救侦查救援机器人整个搜救过程应在远程监控的严密把控下有序进行，以确保救援行动的快速响应和高效执行。该机器人所有核心组件都严格按照海洋工程技术标准制造，提升了部件间的通用互换性，并确保系统的整体性能和可靠性。一旦发现紧急状况或需救援时，操作人员即可通过高性能工作站远程操控机器人潜入现场进行搜救作业。该机器人集成的智能声呐与高清摄像头能够自动锁定目标位置，并将实时视频画面传输至岸上指挥中心。指挥人员据此评估救援进展，调整策略，确保任务圆满完成。

1.2 整体设计思路

水下搜救侦查救援机器人配备高性能处理器，开展智能水下搜救活动，配合机械臂执行打捞任务，其结构如图1所示。该装置集成了影像设备、避碰声呐、多传感器技术、电机伺服系统和水下射频通信技术，能在不同深浅、不同浑浊度的水域进行快速有效的搜救工作。

水下搜救侦查救援机器人采用六螺旋桨设计，使其具有强大推进力和机动灵活性，确保在各种水域环境中稳定航行。影像侦查系统包括高清摄像头和两个LED补光灯，可实现实时侦查和录像。其所使用的先进图像处理技术可实时分析和处理图像，为救援工作提供重要的信息支持［7］。优化的能源管理和动力系统使机器人能长时间稳定运行，确保搜救任务的持续稳定执行［8］。影像侦查系统与控制系统的高效协同使机器人迅速锁定并精确定位搜救目标，提高了搜救工作的准确性和高效性。

2 装置设计方案

2.1 浮力模块设计

选择浮力材料时，应考虑其对水下机器人可靠性和安全性的综合影响。采用的材料应能承受高压环境，且密度低以实现轻量化，具备低吸水率和体积收缩率，以及优异的机械加工性能，以满足复杂的制造需求。特别是，浮力块的体积收缩和吸水率导致的浮力损失，必须控制在0.5%～1.0%，以确保水下机器人的稳定性和安全性。

2.2 视觉传达装置设计

水下机器人的视觉系统采用树莓派作为核心控制器，通过无线手柄实现人机交互、实时视觉传输和远程操控。所采用的摄像头完全封装在高强度、耐腐蚀且防水的壳体内部。配置的广角镜头能扩大视野范围，对搜救侦查尤为重要［9］。在摄像头内部集成陀螺仪，以增强图像稳定性和清晰度。由于水下光线条件复杂多变，摄像头旁边装有可调节亮度的照明设备，确保在各种光照条件下都能获得清晰的图像。

2.3 灯光装置设计

本设计选用LED补光灯，其高亮度特性显著增强了该机器人的水下照明效果，提供了清晰视野，可更准确地判断水下环境，发现被困人员或物体的位置。LED补光灯能穿透水层，照亮更远距离，在浑浊或深色水域中尤为重要。LED补光灯具备高效节能特性，可长时间持续照明，减少水下机器人电能使用。LED补光灯也具备防水、耐腐蚀特性，可适应水下复杂多变的环境。

2.4 机械臂设计

水下机器人安装有机械臂，能够实现沿轴线的精确运动控制，使结构和控制更为简化。机械臂工作原理简单，控制器接收运动指令后，通过电机驱动器控制电机旋转。电机旋转运动经传动机构转换，驱动机械臂末端执行器沿轴线直线移动。传感器实时监测并反馈机械臂位置、速度等状态信息给控制器，以实现精确控制。机械臂结构模型如图2所示。

2.5 控制模块设计

水下机器人的控制模块主要由控制模块USB、供电模块、网络电缆、树莓派、电力载波等单元组成［10］。控制模块USB接口是连接控制模块与计算机或其他设备的桥梁，确保控制指令与数据的快速、准确传输。供电模块作为控制系统的动力源泉，为控制单元提供稳定、高效的电能支持，保障其稳定运行。网络电缆是连接控制系统与树莓派和视觉模块的网络设备，起到了数据传输与通信的关键作用，是信息交流的通道。树莓派作为控制模块的“大脑”，其体积小巧且性能强大，负责处理复杂的控制算法和逻辑判断，指导任务的执行。电力载波技术利用电力线作为通信介质，实现控制信号与数据的无线传输，为设备的远程监控提供便利。

2.6 防水仓设计

水下机器人的耐压壳体用于安装电子元器件和检测设备，保护它们不受水压和腐蚀损害。耐压壳体必须具备足够的强度和可靠的密封性能。此外，耐压壳体还提供浮力。该水下机器人采用半球形封头的圆柱形壳体，其圆柱形部分直径和长度较小。在外部压力较低时，壳板厚度足以保证强度和稳定性；在外部压力较高时，通常需要使用肋骨来增强壳体的稳定性。

2.7 动力装置设计

本研究所设计的螺旋桨能提高水下机器人的推进效率。综合考虑水下受力、效率、推力与扭矩等因素，水下机器人装备三叶片螺旋桨，其结构如图3所示。该螺旋桨可减少叶片间干扰，同时提供足够的推力和良好的推进效率。叶片设计为翼型，优化了流体流动，最大化了升力。螺旋桨材料应具备高强度、良好的耐腐蚀性和抗疲劳性能，该设计选择聚甲醛乙缩醛共聚物材料。

3 机械臂有限元分析

‌机械臂是实施水下救援的关键结构，提高其抓合力，降低振动和水下阻力至关重要。为此，使用Solidworks三维软件对机械臂进行有限元分析。机械臂在伸缩时受压力和动力影响，在设计中使用力载荷。机械臂选用聚甲醛乙缩醛共聚物材料，该材料模型采用线性弹性各向同性，其弹性模量为2.6e+09 N/m2，泊松比为0.385 9，抗剪模量为9.328e+08 N/m2，质量密度为1 390 kg/m3，张力强度为7.15e+07 N/m2。流场介质为水，密度为998 kg/m3，动力黏度系数为0.001 Pa·s。

经过计算可以得到机械臂的应力云图和位移云图如图4所示。

从图4可以看出，机械臂的应力最大值为2.995e+05 N/m2；最大位移集中在前段，位移最大值为0.010 95 mm，两者均在聚甲醛乙缩醛共聚物材料的变形范围内。由此可知，机械臂的结构设计合理，应力分布均匀，没有局部应力集中现象，满足强度和刚度的要求，确保了高精度作业的稳定性以及长期使用的可靠性。

4 结语

本研究设计的水下搜救侦查救援机器人，通过集成高精度传感器、多功能机械臂、动力螺旋桨、三维声呐和线性自抗扰控制器等关键技术，显著提升了水下救援的效率和安全性。有限元分析确保了机械臂在各种负载下的性能和可靠性，且机器人的环境适应性和操作便利性也得到了充分验证。该机器人整体设计满足水下救援的迫切需求，为未来水下作业的智能化和自动化提供了借鉴。

参考文献：

［1］卢晓亭，俞建成，孙朝阳，等.基于海洋机器人的科学观测与实验系统研究现状与展望［J］.海洋技术学报，2023， 42（4）：107-120.

［2］梁能.水下移动智能终端的动态组网研究［J］.智慧中国，2023（10）： 83-84.

［3］彭湃，张禹.基于机器视觉的水下视觉成像分析及优化［J］.机电信息，2023（12）： 39-41， 45.

［4］刘捷，黄燕民，陈宏轩，等.水下清洗机器人控制系统软件设计［J］.电子设计工程，2022，30（24）： 175-179.

［5］盖超会，高泽宇，王成刚，等.基于双轴运动水下探测机器人摄像云台系统设计［J］.自动化与仪器仪表，2023 （8）： 277-280， 285.

［6］吴波涛，孔金平，王湘.基于Arduino和树莓派的智能小车的设计与实现［J］.电子设计工程，2017， 25（15）： 58-61.

［7］曹振新，蒋毅栋，林祝亮.无线遥控水上救援机器人的设计与试验研究［J］.新技术新工艺，2023（12）： 18-24.

［8］赖昱，朱俊.水下机器人惯性导航技术综述［J］.控制与信息技术， 2023 （6）： 9-15.

［9］龙达峰，黄慰桐，黄近秋.水下机器人机载传感器信息采集与存储系统［J］.惠州学院学报， 2023， 43（6）： 1-5.

［10］代兆立，窦海余，徐爽，等.实时三维声呐技术在平台水下检测中的应用［J］.石油工程建设， 2018， 44（6）： 38-41.