李 蕊，高鐵紅，楊世忠，薛永紅

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

水黽依靠其腿表面特殊結(jié)構(gòu)在水面上停留并能快速滑行或跳躍．水上行走機(jī)器人以其效率高、機(jī)動(dòng)性好、噪音低、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小的優(yōu)勢(shì)將在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、水體檢測(cè)、地下管網(wǎng)檢測(cè)等軍事和民用方面得到廣泛應(yīng)用．因此，開展水上行走機(jī)器人的研究將具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值．美國麻省理工大學(xué)、日本東京工業(yè)大學(xué)、日本工學(xué)院大學(xué)和中科院化學(xué)所有機(jī)固體院水黽的潛在運(yùn)動(dòng)機(jī)理和疏水特性進(jìn)行了研究探討，并取得了一定的研究成果[1-4]．美國麻省理工學(xué)院（MIT）、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、日本的中央大學(xué)、日本工學(xué)院大學(xué)工學(xué)部和河北工業(yè)大學(xué)的學(xué)者都對(duì)水面行走機(jī)器人進(jìn)行了研究，制作出樣機(jī)，取得了一定研究成果[5-9]．本文研究一種依靠浮力停留在水面的水上行走機(jī)器人．該機(jī)器人前后4條腿采用漂浮原理支撐，兩中間腿模仿水黽腿劃水姿態(tài)產(chǎn)生劃水動(dòng)作，使機(jī)器人具有良好的負(fù)載能力和較快的移動(dòng)速度；該機(jī)器人突破傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用微型電磁鐵驅(qū)動(dòng)．本文是在上述研究基礎(chǔ)之上，進(jìn)行水上行走機(jī)器人遙控控制系統(tǒng)開發(fā)，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究．

1 水黽

水黽（Water Strider）是一種在湖水、池塘、水田和濕地中常見的小型水生昆蟲．在垂直水面上，水黽腿不刺破水面對(duì)水面產(chǎn)生壓水作用，形成橢圓形軌跡．

2 水上行走機(jī)器人

根據(jù)功能仿生原理，在研究仿生原型水黽結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特性基礎(chǔ)上，模仿水黽六條腿結(jié)構(gòu)布局和兩中間腿做劃水運(yùn)動(dòng)進(jìn)行水面滑行的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，構(gòu)建微小型水上行走機(jī)器人，如圖1所示．該機(jī)器人以電磁鐵二元邏輯控制替代電機(jī)復(fù)雜伺服驅(qū)動(dòng)，其具有驅(qū)動(dòng)數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易微小型化、機(jī)動(dòng)性好、轉(zhuǎn)彎靈活、劃水效率高、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)．

3 水上行走機(jī)器人控制系統(tǒng)

該機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用遙控操作，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示．該控制系統(tǒng)主要內(nèi)容包括硬件部分搭建和軟件部分設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)要求，搭建一個(gè)基于AT89C51單片機(jī)[10]的主運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)．

3.1 控制系統(tǒng)硬件部分

水上行走機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件部分包括遙控器部件和機(jī)器人的接收遙控信號(hào)的控制系統(tǒng)硬件．

系統(tǒng)的硬件主要由信號(hào)輸入模塊，主控模塊，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊等組成．其中信號(hào)輸入部分由遙控通訊發(fā)射部分——TX100ASK模塊和接收部分——RX100ASK模塊完成，兩模塊按照串口規(guī)則通訊．其中遙控發(fā)射部分為按鍵電路、編碼控制模塊、發(fā)射模塊等，是遙控器的一部分；接收部分為接收模塊、編碼控制模塊、邏輯部分和執(zhí)行部分，屬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行部件；用戶通過按鍵輸入信息，發(fā)射部分將信號(hào)傳輸給接收模塊，再通過主控模塊將信號(hào)發(fā)送給被控對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)遙控通訊技術(shù)控制終端．主控模塊采用AT89C51單片機(jī)作為控制核心，在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)當(dāng)AT89C51單片機(jī)接收到遙控信號(hào)輸入時(shí)，AT89C51單片機(jī)自動(dòng)控制電磁鐵的通斷電．驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊包括3個(gè)電磁鐵，通過電磁鐵的通斷電的配合來完成機(jī)器人腿部的劃水動(dòng)作，從而使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)．

圖1 水上行走機(jī)器人Fig.1 The water-walking robot

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The overall diagram of the control system

3.2 控制系統(tǒng)軟件部分

根據(jù)水上行走機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方案，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制軟件系統(tǒng)．控制系統(tǒng)軟件部分主要包括主程序和子程序．主程序完成系統(tǒng)參數(shù)初始化、循環(huán)檢測(cè)外部控制信號(hào)、消抖處理和調(diào)用相應(yīng)子程序的功能；動(dòng)作子程序包括前進(jìn)、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)3個(gè)子程序，控制電磁鐵的通斷電時(shí)間和動(dòng)作順序．主程序流程圖如圖3所示．左轉(zhuǎn)彎動(dòng)作子程序流程圖如圖4所示．

4 水上行走機(jī)器人實(shí)驗(yàn)研究

在設(shè)計(jì)了遙控控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，重新制作水上行走機(jī)器人，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，進(jìn)行水上行走機(jī)器人在水面上前行、轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)，如圖5所示．實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)，具有良好的速度響應(yīng)特性、運(yùn)動(dòng)靈活性，劃水效率高、控制簡(jiǎn)單方便．

5 結(jié)論

本文進(jìn)行了水上行走機(jī)器人控制系統(tǒng)開發(fā)，以AT89C51單片機(jī)為核心芯片并添加遙控通訊功能，設(shè)計(jì)遙控通訊技術(shù)控制終端，使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)．研究水上行走機(jī)器人的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人獨(dú)立在遠(yuǎn)距離水面等環(huán)境下自主工作．由于實(shí)現(xiàn)遙控操作，本機(jī)器人更適合應(yīng)用于要求本身承載能力強(qiáng)的場(chǎng)合，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事偵察等，適合在人類不適合達(dá)到的區(qū)域工作．因此，開展水上行走機(jī)器人的研究不僅具有重要的科學(xué)意義而且將在軍用和民用上具有非常廣闊的應(yīng)用前景．

圖3 主程序流程圖Fig.3 The main program flow chart

圖4 水上行走機(jī)器人水上實(shí)驗(yàn)Fig.4 The water experiment of the water-walking robot

圖5 水上行走機(jī)器人水上實(shí)驗(yàn)Fig.5 The water experiment of the water-walking robot

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