◎楊洪濤

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院經(jīng)貿(mào)系，河南商丘476000)

傳統(tǒng)的陸上或水下機(jī)器人通常只能在單一環(huán)境下工作，很難應(yīng)用于重大災(zāi)害侵襲后的惡劣的兩棲環(huán)境中。與此不同，基于偏心槳機(jī)構(gòu)的兩棲機(jī)器人能夠根據(jù)槳軸的主動控制實(shí)現(xiàn)豐富的運(yùn)動形式，適應(yīng)水下、沙地、泥濘和巖石陸地等各種復(fù)雜的環(huán)境，可以應(yīng)用于災(zāi)害救援、行星探測、地質(zhì)調(diào)查等方面[1-9]。

仿生水陸兩棲機(jī)器人靈感來自自然水陸兩棲生物的形態(tài)以及運(yùn)動特征，包括蛇類機(jī)器人、蠑螈機(jī)器人、魚類水陸兩棲機(jī)器人、龍蝦機(jī)器人等。蛇形機(jī)器人是一種類似蛇的仿生機(jī)器人，具有不同的構(gòu)型和尺寸。雖然蛇形機(jī)器人在大小和設(shè)計(jì)上有很大差異，但他們可進(jìn)入并在狹窄的空間里工作。魚類機(jī)器人具有活魚的形狀和運(yùn)動。目前，研究人員已經(jīng)開發(fā)出約40種不同類型的魚類機(jī)器人，其中大多數(shù)魚類機(jī)器人都可模仿使用身體尾鰭（BCF）推進(jìn)的活魚。蠑螈機(jī)器人能夠通過使用蠑螈髓質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字模型來移動。

可通過遠(yuǎn)程站傳輸簡單命令實(shí)現(xiàn)速度調(diào)控。龍蝦機(jī)器人由一種特制的防水電池提供動力，它頭部的兩根長須是一種靈敏度極高的防水天線，腳上都裝配有防水毛傳感器，它的大腦則是一臺超微型計(jì)算機(jī)，能夠像真龍蝦一樣適應(yīng)不規(guī)則的海底，在不同的深度敏捷地行動，并且可以靈巧地應(yīng)對洶涌的波濤和變化的海流，躲避各式各樣的海底礁石。這些機(jī)器人模仿其對應(yīng)生物的生物學(xué)特性和功能。然而，仿生學(xué)兩棲機(jī)器人受工作環(huán)境限制較大。比如，蛇機(jī)器人、魚類機(jī)器人、蠑螈機(jī)器人[10]都能夠在水中和陸上移動，但它們可能會卡在濕地或崎嶇的地形上。龍蝦機(jī)器人可以在陸地或海底行走，但它不能在水中游泳。

雖然在水陸兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了許多成就，但兩棲機(jī)器人依然難以用于實(shí)際任務(wù)，例如在發(fā)生海嘯或洪水之后的搜索和救援任務(wù)。在這種情況下，期望水陸兩棲機(jī)器人能夠在不平坦的地面上行進(jìn)、在水中游泳、通過沙灘和泥濘的水池。由于移動性能，運(yùn)動效率和負(fù)載能力的限制，大多數(shù)現(xiàn)有的水陸兩用機(jī)器人難以應(yīng)用在這些實(shí)際的高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)中?；谄臉獧C(jī)構(gòu)的兩棲機(jī)器人能夠根據(jù)槳軸的主動控制實(shí)現(xiàn)豐富的運(yùn)動形式，適應(yīng)水下、沙地、泥濘和巖石陸地等各種復(fù)雜的環(huán)境，可以應(yīng)用于災(zāi)害救援、行星探測、地質(zhì)調(diào)查等方面。筆者以偏心槳機(jī)構(gòu)為研究對象，搭建了基于LabVIEW系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺，對該機(jī)構(gòu)的陸上步態(tài)運(yùn)動性能進(jìn)行了測試。

1偏心槳機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理

偏心槳機(jī)構(gòu)最先由Sun等人提出[1]，包含一個(gè)輪式殼體和一組槳葉，如圖1所示。輪殼由一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，固定在輪緣的鉸鏈可以被動旋轉(zhuǎn)，槳葉通過鉸鏈實(shí)現(xiàn)伸縮。槳葉軸由一對馬達(dá)通過行星齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動，在輪殼內(nèi)實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動。當(dāng)輪向前滾動時(shí)，通過調(diào)整槳葉軸的位置控制槳葉主動地伸出或縮回，實(shí)現(xiàn)前向運(yùn)動。

圖1 陸上步態(tài)相序

2偏心槳機(jī)構(gòu)陸上步態(tài)測試實(shí)驗(yàn)臺搭建

本實(shí)驗(yàn)的步態(tài)設(shè)計(jì)與控制采取LabVIEW控制程序，如圖2所示?？刂泼姘迦鐖D3所示，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，這也是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的控制面板，控制電機(jī)的運(yùn)作時(shí)間與運(yùn)動方向。為了驗(yàn)證水陸兩棲機(jī)器人陸上步態(tài)效果，搭建了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)臺。該實(shí)驗(yàn)平臺長為1900mm、寬為600mm、高為1200mm。通過型材將兩個(gè)偏心槳模塊固定在實(shí)驗(yàn)臺的移動平臺上，該移動平臺在豎直方向和水平方向采用直線軸承導(dǎo)向。通過主動調(diào)節(jié)槳軸位置，機(jī)器人可保證平衡并帶動平臺向前移動。

圖2 運(yùn)動步態(tài)控制程序結(jié)構(gòu)

圖3 實(shí)驗(yàn)臺控制面板

圖4 陸上步態(tài)測試實(shí)驗(yàn)臺

圖5 實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)框架

實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)框架如圖5所示。包含NI-PXI-1042Q機(jī)箱、CANopen PXI接口、Copley驅(qū)動器等核心設(shè)備。NI-PXI-1042Q機(jī)箱為8插槽，安靜的通用交流PXI機(jī)箱。PXI-1042Q滿足當(dāng)今PXI應(yīng)用的苛刻的冷卻和電源要求。PXI-1042Q兼容3U PXI和CompactPCI模塊。它還具有擴(kuò)展的溫度范圍和可移動的高性能交流電源。NI-PXI-8531是一款單端口高速CANopen PXI接口，用于通過NI LabVIEW開發(fā)Windows或LabVIEW實(shí)時(shí)系統(tǒng)上運(yùn)行的CANopen應(yīng)用程序。CANopen是基于控制器區(qū)域網(wǎng)(CAN)物理層的高層通信協(xié)議。該產(chǎn)品為運(yùn)動機(jī)器控制網(wǎng)絡(luò)（例如處理系統(tǒng)）設(shè)計(jì)，也廣泛用于其他應(yīng)用，包括醫(yī)療設(shè)備、越野車輛、海事電子、公共交通和建筑自動化。Copley驅(qū)動器采用Accelnet Micro Panel(ACJ-055-09)的20-180V無刷電機(jī)直流數(shù)字驅(qū)動器。Accelnet Micro Panel是緊湊型直流電動伺服驅(qū)動器，用于交流無刷和直流電刷電機(jī)位置，速度和轉(zhuǎn)矩的控制。它可以在分布式控制網(wǎng)絡(luò)，獨(dú)立分度驅(qū)動器或外部運(yùn)動控制器上運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)反饋是數(shù)字四通道A/B編碼器，兩種選項(xiàng)可用于支持無刷分解器（-R）或模擬sin/cos編碼器（-S）。索引模式使PLC能夠簡化操作，使用輸出選擇和啟動索引和輸入以讀取驅(qū)動器狀態(tài)。此外，PLC可以發(fā)送可更改運(yùn)動配置文件的ASCII數(shù)據(jù)，以便隨著機(jī)器人需求的變化，一個(gè)索引可以執(zhí)行各種運(yùn)動，并支持CANopen分布式控制架構(gòu)。作為CANopen協(xié)議下的CAN節(jié)點(diǎn)，它支持輪廓位置，輪廓速度，輪廓扭矩，插補(bǔ)位置和歸位。單個(gè)CAN總線最多可以運(yùn)行127個(gè)驅(qū)動器，并且可以通過CAN連接一組驅(qū)動器，以便它們一起執(zhí)行運(yùn)動配置文件。在轉(zhuǎn)矩（電流），速度和位置模式下，可以使用外部運(yùn)動控制器進(jìn)行操作。輸入指令信號可以為±10V（轉(zhuǎn)矩，速度，位置），PWM/Polarity（轉(zhuǎn)矩，速度）或步進(jìn)格式（CU/CD或步進(jìn)/方向）。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1障礙物設(shè)定

選取5mm×5mm×100mm的木塊作為障礙物的基本單元，設(shè)置了三組不同的障礙物來研究兩棲機(jī)器人機(jī)構(gòu)的越障能力。

障礙物一：這種障礙物是最簡單的障礙物設(shè)置，僅由一個(gè)基本單元組成。使用了一個(gè)5mm×5mm×100mm的木塊。設(shè)置這種障礙物，是為了研究兩棲機(jī)器人裝置在翻越普通大小、形狀單一的障礙物時(shí)，其運(yùn)動狀態(tài)以及越障情況。將障礙物直接放置在地板的防滑墊之上，然后將其固定，防止單個(gè)障礙物在與兩棲機(jī)器人裝置的槳葉接觸時(shí)導(dǎo)致障礙物滑動。

障礙物二：障礙物二的設(shè)置是在由基本單元組成的障礙物一的基礎(chǔ)上升級完成的。利用六個(gè)5mm×5mm×100mm的木塊拼接而成。由于設(shè)備設(shè)施的限制，先用透明膠將三個(gè)木塊組合成一個(gè)小的障礙物，然后用三個(gè)木塊再次拼接成一個(gè)相同樣式的障礙物，之后將兩個(gè)組合完成的障礙物堆放在一起，使之緊密結(jié)合。

障礙物三：在障礙物二的基礎(chǔ)上，再加六個(gè)5mm×5mm×100mm的木塊，組合成本次實(shí)驗(yàn)中的主要障礙物，即障礙物三。由十二個(gè)5mm×5mm×100mm木塊組合而成的障礙物三詳見下圖6所示。關(guān)于障礙物三的制作，在障礙物二的基礎(chǔ)上，我們利用六個(gè)5mm×5mm×100mm木塊組合成二個(gè)5mm×15mm×100mm的條形塊，然后把他們與障礙物二緊密堆放在一起。

3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)定

圖6 實(shí)驗(yàn)用障礙物

首先啟動NI-PXI-1042Q主機(jī)。該主機(jī)自帶Windows系統(tǒng)，因此，不需要其他主機(jī)。然后打開顯示器。打開調(diào)試好的PVT步態(tài)控制程序，在程序內(nèi)設(shè)置完成偏心槳機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方向與運(yùn)動時(shí)間。之后，返回至控制主界面（如圖7所示）。

本實(shí)驗(yàn)測試槳葉軸在不同位置的情況下，偏心槳機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能和越障能力。下圖9分別是槳葉軸距離軸心位置0.5倍半徑處右下45°、距離軸心位置0.5倍半徑處右邊90°、距離軸心位置0.5倍處左邊-90°的三個(gè)位置的示意圖。

圖7 實(shí)驗(yàn)控制臺

3.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)定

圖8 實(shí)驗(yàn)狀態(tài)

圖9 槳葉軸處于不同位置時(shí)的實(shí)物

為簡化表格，用“S”代表槳葉軸的位置；“d”表示槳葉軸與障礙物的距離，單位為mm；障礙物類型用“T”表示，其中“T1”表示障礙物一，“T2”表示障礙物二，“T3”表示障礙物三；總實(shí)驗(yàn)次數(shù)用“N”表示；越障成功次數(shù)用“P”表示；越障失敗次數(shù)用“F”表示。

圖10 關(guān)于“S”記法中α的說明

其中，位置“S”的表述說明如下：如下圖10所示，以偏心槳機(jī)構(gòu)的中心為中心，豎直線的下半部為角度的起始位置，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)過的度數(shù)為正（+α）。在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，槳葉軸的位置是變化的，為了簡便，將槳葉軸的位置記為“L-α”。例如“0.5R-45°”（R代表半徑）表示：槳葉軸中心距離端蓋中心的距離為0.5R，槳葉軸中心與端蓋中心的連線與豎直線的下半部成45°夾角；“0-0”表示：槳葉軸中心與端蓋中心重合，此時(shí)槳葉軸處于正中心。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分類如表1所示。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次，記錄成功與失敗次數(shù)。圖11為其中一組實(shí)驗(yàn)成功的示例。

3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 實(shí)驗(yàn)分類

圖11 實(shí)驗(yàn)成功示例

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總覽

在270余組實(shí)驗(yàn)中，統(tǒng)計(jì)并且分類記錄了所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，列于表2。越障成功次數(shù)用“P”表示；越障失敗次數(shù)用“F”表示。

3.5實(shí)驗(yàn)分析與討論

通過實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算出在270組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，平均成功率為66.67%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)不考慮槳葉軸位置對越障能力以及偏心槳機(jī)構(gòu)運(yùn)動性能的影響時(shí)，在T1障礙物情況下，平均成功率為83.33%；在T2障礙物情況下，平均成功率為70.00%；然而在T3障礙物情況下，平均成功率僅為46.67%。當(dāng)考慮槳葉軸位置對越障能力以及偏心槳機(jī)構(gòu)運(yùn)動性能的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)在“S”相同的情況下，障礙物由“T1”到“T3”的過程中，越障實(shí)驗(yàn)的成功率呈現(xiàn)遞減的趨勢。因此可以得出結(jié)論：障礙物越簡單，偏心槳機(jī)構(gòu)越容易成功翻越。

結(jié)語

傳統(tǒng)的陸上或水下機(jī)器人通常只能在單一環(huán)境下工作，很難應(yīng)用于重大災(zāi)害侵襲后的惡劣的兩棲環(huán)境中。與此不同，基于偏心槳機(jī)構(gòu)的兩棲機(jī)器人能夠根據(jù)槳軸的主動控制實(shí)現(xiàn)豐富的運(yùn)動形式，適應(yīng)水下、沙地、泥濘和巖石陸地等各種復(fù)雜的環(huán)境，可以應(yīng)用于災(zāi)害救援、行星探測、地質(zhì)調(diào)查等方面。通過本實(shí)驗(yàn)研究，搭建了基于偏心槳機(jī)構(gòu)的陸上步態(tài)測試實(shí)驗(yàn)臺，并完成了多組不同情況下的陸上步態(tài)實(shí)驗(yàn)，分析了基于偏心槳機(jī)構(gòu)的兩棲機(jī)器人陸上步態(tài)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，偏心槳葉輪較傳統(tǒng)的光輪具有良好的越障能力，且槳葉軸位置對越障能力以及偏心槳機(jī)構(gòu)運(yùn)動性能具有顯著影響。未來，將研究規(guī)劃槳葉軸的軌跡規(guī)劃方法，以提高偏心槳葉輪式機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的通過性。