顧佳朋　顧明迪

摘要：仿蜥蜴機(jī)器人是模擬蛇怪蜥蜴運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)水面行走的機(jī)器人，其腳掌形狀及其運(yùn)動(dòng)特性決定了機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)水面快速行走。在對(duì)蜥蜴原型運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用面元法對(duì)不同截面形狀的腳掌流體特性進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)對(duì)比不同截面形狀腳掌表面的速度分布曲線(xiàn)和壓力系數(shù)分布曲線(xiàn)，對(duì)機(jī)器人腳掌的截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使機(jī)器人腳掌在拍擊水面時(shí)產(chǎn)生較大的升力。

關(guān)鍵詞：蛇怪蜥蜴;機(jī)器人腳掌;面元法;壓力系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.064

蛇怪蜥蜴具有只用后腿在水上運(yùn)動(dòng)的能力，其水上行走速度可以達(dá)到1.5 m/s[1]?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)梅汀-西蒂副教授的研制成果“水上奔跑者”，能夠在水面上快速行走[2]。軍械工程學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、上海大學(xué)等國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)仿蜥蜴機(jī)器人進(jìn)行研究[3-6]。仿蜥蜴機(jī)器人腳掌拍擊水面產(chǎn)生的升力大小決定了機(jī)器人能否在水面行走而不沉入水中，而機(jī)器人腳掌的截面形狀決定了所產(chǎn)生升力的大小。本文通過(guò)面元法對(duì)機(jī)器人腳掌截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到能夠產(chǎn)生較大升力的機(jī)器人腳掌。

1 機(jī)器人腳掌模型及面元法優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了兩種不同截面形狀的機(jī)器人腳掌，梯形截面腳掌迎流面半徑為25 mm，背流面半徑為22 mm，厚2 mm;矩形截面腳掌半徑為25 mm，厚2 mm。

設(shè)定水流為無(wú)旋、非粘性、不可壓縮的流體，并以0.9 m/s的速度流向機(jī)器人腳掌，建立z-0剖面處腳掌的數(shù)學(xué)模型，采用i個(gè)直線(xiàn)面元對(duì)剖面邊界進(jìn)行面元?jiǎng)澐?，如圖1所示，其中v∞為無(wú)窮遠(yuǎn)處來(lái)流的速度，ni為物面法向向量，βi為法向量與x軸夾角。腳掌剖面面元?jiǎng)澐值南嚓P(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，其中（xi，M）為各面元控制點(diǎn)，即各面元中點(diǎn)的坐標(biāo)。

采用以上方法對(duì)z=±7 mm、z=±15 mm、z=±21.35 mm腳掌剖面邊界進(jìn)行面元?jiǎng)澐趾头治鲇?jì)算，得到腳掌在不同剖面處的速度曲線(xiàn)圖和壓力系數(shù)曲線(xiàn)圖，分別如圖2、圖3所示。

通過(guò)對(duì)比兩種不同剖面形狀腳掌的速度曲線(xiàn)和壓力系數(shù)曲線(xiàn)，矩形剖面腳掌所產(chǎn)生的升力大于梯形剖面腳掌所產(chǎn)生的升力，因機(jī)器人單個(gè)腳掌所產(chǎn)生的升力必須大于機(jī)器人的總重，這樣才能保證機(jī)器人在水面行走時(shí)不會(huì)沉入水中，故選擇矩形剖面腳掌作為機(jī)器人腳掌。

2 結(jié)論

本文在對(duì)蛇怪蜥蜴運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用面元法對(duì)矩形剖面腳掌和梯形剖面腳掌進(jìn)行分析計(jì)算，得到兩種不同形狀腳掌表面的速度曲線(xiàn)和壓力系數(shù)曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)比可知矩形剖面腳掌所產(chǎn)生的升力較大，有利于支撐機(jī)器人在水面行走，因此選擇矩形剖面腳掌作為機(jī)器人腳掌。

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