王 宇 周 爽 李亞鑫

西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都，610500

0 引言

與單一環(huán)境下活動(dòng)的水下機(jī)器人或足類機(jī)器人不同，兩棲機(jī)器人通常搭載具有獨(dú)特機(jī)械設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)特性的復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，以保障它可在陸地、水下以及水陸交接的過渡環(huán)境中執(zhí)行包括生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、水下資源勘探、災(zāi)后搜索救援在內(nèi)的眾多任務(wù)[1-3]。

水陸兩棲機(jī)器人應(yīng)用前景廣闊，眾多學(xué)者受兩棲動(dòng)物外形結(jié)構(gòu)、生理特征、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的啟發(fā)，提出了一系列仿生機(jī)器人樣機(jī)。哈爾濱工程大學(xué)王立權(quán)教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的足槳混合驅(qū)動(dòng)水陸兩棲機(jī)器人就是以海蟹為仿生原型設(shè)計(jì)而成的[4-5]，根據(jù)任務(wù)所在的不同環(huán)境，機(jī)器人可靈活選取步行足或游泳槳作為運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，但由于該機(jī)器人推進(jìn)裝置完全模仿海蟹的運(yùn)動(dòng)生理特征，因此需要具備水下推進(jìn)和陸地爬行兩套不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張世武教授團(tuán)隊(duì)提出的AmphiHex則基于部分仿生的設(shè)計(jì)思想[6-8]，陸地環(huán)境以蟑螂為仿生目標(biāo)采用可變形弧形腿的推進(jìn)機(jī)構(gòu)，在水下借鑒魚類波動(dòng)運(yùn)動(dòng)特征，采用波動(dòng)矢量推進(jìn)方式，因此，針對(duì)AmphiHex水陸兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì)而成的可變性腿-鰭復(fù)合推進(jìn)方式僅采用一套變形機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)腿形狀的有效改變，從而為水下、陸地兩種復(fù)合運(yùn)動(dòng)提供了解決方案。中科院自動(dòng)化研究所提出了輪-槳-鰭多模態(tài)仿生兩棲機(jī)器人[9-10]，在水下可結(jié)合仿魚推進(jìn)和仿海豚式游動(dòng)，在陸地則驅(qū)動(dòng)機(jī)器人身體兩側(cè)的輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)?？紤]到兩棲機(jī)器人需要應(yīng)對(duì)不平坦的水陸環(huán)境，相較于輪式運(yùn)動(dòng)方式，采用步行足的腿式兩棲機(jī)器人具有更好的地形適應(yīng)能力。因此，日本國(guó)立香川大學(xué)的郭書祥教授團(tuán)隊(duì)為四足球型兩棲機(jī)器人提出了腿式運(yùn)動(dòng)肢-復(fù)合噴水電機(jī)的一體化設(shè)計(jì)[11-13]，一方面該機(jī)器人可采用腿式結(jié)構(gòu)在陸地上實(shí)現(xiàn)較豐富的步態(tài)控制；另一方面由于每一條運(yùn)動(dòng)肢在水下都是矢量推進(jìn)器，因此通過合理配置四足的相對(duì)位置，球形機(jī)器人可在水下輕松地完成包括直行、旋轉(zhuǎn)、上浮和下潛在內(nèi)的多自由度運(yùn)動(dòng)。但由于該機(jī)器人是四足設(shè)計(jì)且每條腿只有兩個(gè)自由度，故大大限制了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中姿態(tài)控制方面的多樣性。

綜上所述，兩棲機(jī)器人的設(shè)計(jì)、推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)、水陸間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的切換方式都決定了機(jī)器人對(duì)多變環(huán)境的適應(yīng)性及其運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性、靈活性。針對(duì)以上挑戰(zhàn)，本文提出了一款水陸兩棲六足機(jī)器人，它搭載的三自由度步行足機(jī)構(gòu)不僅結(jié)合了六足昆蟲類運(yùn)動(dòng)肢的生理特征，還通過復(fù)合噴水電機(jī)實(shí)現(xiàn)了水陸運(yùn)動(dòng)切換簡(jiǎn)單的一體化矢量推進(jìn)方式。

1 水陸兩棲六足機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

本文提出的水陸兩棲機(jī)器人采用部分仿生的設(shè)計(jì)思想，其整體機(jī)械設(shè)計(jì)如圖1所示。該機(jī)器人主要由用于密封控制電路的半球形機(jī)艙和均勻分布于機(jī)身的6條足式復(fù)合運(yùn)動(dòng)肢組成。

圖1 水陸兩棲六足機(jī)器人模型圖Fig.1 Amphibious hexapod robot model

機(jī)器人六足設(shè)計(jì)的靈感主要源于如螞蟻、蟑螂等昆蟲類突出的陸地運(yùn)動(dòng)性能。通過觀察它們的生理特征不難發(fā)現(xiàn)，每條運(yùn)動(dòng)肢分別由基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)和跗節(jié)等組成，這種多自由度的腿部結(jié)構(gòu)不僅保證了它們?cè)趶?fù)雜陸地環(huán)境的通過性，更提高了爬行運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。因此，本文在綜合了六足昆蟲類生理特性與機(jī)械設(shè)計(jì)復(fù)雜度等因素后，提出了模擬基節(jié)-股節(jié)-脛節(jié)的三自由度運(yùn)動(dòng)肢結(jié)構(gòu)。初始狀態(tài)下每條運(yùn)動(dòng)肢呈圓周狀均勻分布于機(jī)身，這在保證每條運(yùn)動(dòng)肢具有足夠運(yùn)動(dòng)空間的前提下，避免了相鄰足間的相互干擾。與此同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)水陸兩棲機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)的高靈活性與機(jī)動(dòng)性，受水母、烏賊等噴射推進(jìn)方式的啟發(fā)，通過在上述陸地步行足上搭載噴水電機(jī)，設(shè)計(jì)出了綜合陸地爬行與水下矢量推進(jìn)的機(jī)器人復(fù)合運(yùn)動(dòng)肢。該運(yùn)動(dòng)肢采用了三連桿并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)關(guān)節(jié)處的三個(gè)防水舵機(jī)不僅可以合理控制每條腿在爬行過程中的相對(duì)位置，而且由于噴水電機(jī)的出水口配置于足端，因此三自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可使每條運(yùn)動(dòng)肢成為一個(gè)獨(dú)立矢量推進(jìn)器，方便機(jī)器人實(shí)現(xiàn)靈活的水下運(yùn)動(dòng)。如圖1細(xì)節(jié)圖所示，該復(fù)合運(yùn)動(dòng)肢的基節(jié)由于近機(jī)身側(cè)，負(fù)荷較重，因此由鋁合金CNC加工而成以確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。相較之下，股節(jié)與脛節(jié)則采用韌性好、質(zhì)量小的高性能尼龍3D打印而成(3D打印機(jī)型號(hào)：HP Jet Fusion 3D 4200)。同時(shí)，為了盡量減小機(jī)器人爬行過程中每條運(yùn)動(dòng)肢舵機(jī)上承受的負(fù)荷，質(zhì)量較大的噴水電機(jī)被固定于機(jī)艙外側(cè)而非運(yùn)動(dòng)肢足端。基于以上考量設(shè)計(jì)而成的水陸足式復(fù)合運(yùn)動(dòng)肢既保證了兩棲機(jī)器人在陸地復(fù)雜地形的爬行能力，又通過矢量推進(jìn)方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在水下的靈活運(yùn)動(dòng)。

此外，用于密封機(jī)器人控制電路并且負(fù)責(zé)固定運(yùn)動(dòng)肢的機(jī)艙也由高性能尼龍材料3D打印而成。由該種材料制成的機(jī)艙質(zhì)量小且強(qiáng)度高，這不僅減小了機(jī)器人陸地爬行時(shí)運(yùn)動(dòng)肢的負(fù)荷，也確保了其水下運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)身可承受足夠大的壓力。

1.2 電氣電路設(shè)計(jì)

為了方便控制兩棲機(jī)器人在陸地與水下的各種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，設(shè)計(jì)了圖2所示的密封于機(jī)艙內(nèi)部的機(jī)器人電氣電路。該機(jī)器人主控板采用Arduino Mega 2560，通過舵機(jī)控制板(SSC-32)控制6條運(yùn)動(dòng)肢上18個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而合理調(diào)整每條三自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)肢的足端位姿。為兼顧機(jī)器人水陸兩棲的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，舵機(jī)使用防水舵機(jī)(Hitec HS-5646WP)。機(jī)器人通過搭載5300 mA·h的鋰電池給主控板和舵機(jī)控制板供電。與此同時(shí)，為保證機(jī)器人在水下具有良好的續(xù)航能力，本文采用6個(gè)1300 mA·h鋰電池分別為各條運(yùn)動(dòng)肢上的噴水電機(jī)供電，可保證其在額定功率下連續(xù)工作1.5 h。機(jī)器人在水下矢量推力的大小則由主控板產(chǎn)生的6路脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)信號(hào)控制。PWM信號(hào)通過調(diào)節(jié)噴水電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變足端噴水口的流速，達(dá)到控制矢量推力大小的目的。此外，為了保證機(jī)器人在陸地與水下運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性，還配置了感知自身姿態(tài)的陀螺儀(BNO055)與檢測(cè)水下深度的壓力傳感器(MS5837-30BA)，通過實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并反饋給主控板，為水陸兩棲機(jī)器人更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境提供了硬件方面的支持。

圖2 電氣電路設(shè)計(jì)模塊圖Fig.2 The framework of electrical circuit

2 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

2.1 陸地運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

兩棲機(jī)器人在陸地爬行時(shí)面臨眾多挑戰(zhàn)，特別是應(yīng)對(duì)斜坡地形遇到的機(jī)身穩(wěn)定性問題。本文在陸地運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中重點(diǎn)解決機(jī)器人適應(yīng)不同斜坡坡度的運(yùn)動(dòng)控制問題?；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)分析，本文首先在運(yùn)動(dòng)肢的基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)及足端分別建立D-H(Denavit-Hartenberg)坐標(biāo)系，用以獲取運(yùn)動(dòng)肢各關(guān)節(jié)角度與足端位置之間的關(guān)系。由于機(jī)器人6條運(yùn)動(dòng)肢結(jié)構(gòu)相同且呈圓周對(duì)稱分布，因此任意選出一條運(yùn)動(dòng)肢建立D-H坐標(biāo)系，如圖3所示，在此坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)肢D-H參數(shù)如表1所示。其中，αi為連桿轉(zhuǎn)角，ai為連桿長(zhǎng)度，di為連桿偏距，θi為關(guān)節(jié)角。根據(jù)坐標(biāo)系之間的位姿變換關(guān)系，可以得到機(jī)器人足端坐標(biāo)系{O3}相對(duì)于基節(jié)處坐標(biāo)系{O0}的位姿變換矩陣：

圖3 運(yùn)動(dòng)肢D-H坐標(biāo)系Fig.3 The D-H coordinate of one leg

式中，sθ1表示sinθ1；cθ1表示cosθ1；sθ23表示sin(θ2+θ3)；cθ23表示cos(θ2+θ3)。

為了提高機(jī)器人在斜坡地形下的運(yùn)動(dòng)性能，本文借助移動(dòng)效率高的三足步態(tài)，將爬坡角度融入步態(tài)規(guī)劃中并實(shí)現(xiàn)了一種可適應(yīng)于斜坡爬行的三角步態(tài)。具體過程如下：機(jī)器人可依據(jù)陀螺儀檢測(cè)到的當(dāng)前位置坡度自適應(yīng)地調(diào)節(jié)機(jī)身質(zhì)心與斜坡的垂直高度；與此同時(shí)，通過規(guī)劃三角步態(tài)中運(yùn)動(dòng)肢足端的軌跡及實(shí)時(shí)的機(jī)身姿態(tài)，由逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解運(yùn)動(dòng)肢基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)處關(guān)節(jié)角θ1、θ2、θ3：

θ1=arctan 2(py，px)

(1)

(2)

(3)

式中，p為足端的位置矢量。

式(1)～(3)即可用來驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)肢，進(jìn)而提高機(jī)器人對(duì)不同坡度的適應(yīng)能力。

在爬行過程中，機(jī)器人三角步態(tài)規(guī)劃如圖4所示，將機(jī)器人6條腿分為A、B兩組，R2、L1、L3為A組，R1、R3、L2為B組。機(jī)器人整個(gè)爬行過程分為準(zhǔn)備階段和爬行階段。由于機(jī)器的6條運(yùn)動(dòng)肢初始化下呈圓周對(duì)稱分布，因此在準(zhǔn)備階段A組腿抬起向前擺動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，B組腿支撐不動(dòng)，為機(jī)器人爬行做好準(zhǔn)備。在爬行階段，步態(tài)周期設(shè)定為T，在0～T/2時(shí)間段，B組腿作為擺動(dòng)相，抬起腿向前擺動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，A組腿作為支撐相，向后擺動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，機(jī)身向前移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)；在T/2～T時(shí)間段，A組腿作為擺動(dòng)相，抬起腿向前擺動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，B組腿作為支撐相，向后擺動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，機(jī)身再次前進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)。因此，在一個(gè)完整步態(tài)周期下機(jī)器人機(jī)身可向前前進(jìn)兩個(gè)步長(zhǎng)，當(dāng)A、B兩組腿連續(xù)交替擺動(dòng)-支撐時(shí)，機(jī)器人可向前實(shí)現(xiàn)三角爬行步態(tài)。這種步態(tài)在螞蟻類六足昆蟲中比較常見，由于每組運(yùn)動(dòng)肢在處于支撐相時(shí)可構(gòu)成三角形支架結(jié)構(gòu)，因此穩(wěn)定性好，并且兩組運(yùn)動(dòng)肢交替前進(jìn)，移動(dòng)效率較高。

圖4 三角步態(tài)示意圖Fig.4 The tripod gait planning

2.2 水下姿態(tài)規(guī)劃

由于水陸兩棲機(jī)器人的每條運(yùn)動(dòng)肢都是一個(gè)復(fù)合了噴水電機(jī)的三自由度矢量推進(jìn)器，因此通過合理地改變運(yùn)動(dòng)肢的姿態(tài)及噴水電機(jī)的轉(zhuǎn)速，機(jī)器人即可控制矢量推進(jìn)器的推力方向和大小，從而確保其在水下實(shí)現(xiàn)包括直行、旋轉(zhuǎn)、上浮和下潛在內(nèi)的多自由度運(yùn)動(dòng)。

具體來說，當(dāng)矢量推進(jìn)器調(diào)整為圖5a所示的姿態(tài)時(shí)，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)直行運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，矢量推進(jìn)器1、2、3相互平行，推進(jìn)器4、5與水平方向成60°。機(jī)器人若要實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)，其矢量推進(jìn)器可配置為圖5b所示的姿態(tài)，此時(shí)6組推進(jìn)器在機(jī)器人質(zhì)心處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將使其逆時(shí)針原地旋轉(zhuǎn)，順時(shí)針原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)同理。當(dāng)矢量推進(jìn)器配置成圖5c所示的姿態(tài)時(shí)，6條運(yùn)動(dòng)肢足端垂直向下噴水，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)上浮運(yùn)動(dòng)。當(dāng)矢量推進(jìn)器調(diào)整為圖5d所示的姿態(tài)時(shí)，運(yùn)動(dòng)肢足端噴口斜向上45°，且由于矢量推進(jìn)器均勻分布于機(jī)身，機(jī)器人在合力作用下實(shí)現(xiàn)下潛運(yùn)動(dòng)。綜上所述，通過合理配置6組矢量推進(jìn)器的相對(duì)位置，兩棲機(jī)器人在水下可實(shí)現(xiàn)靈活的多自由度運(yùn)動(dòng)。

(a)直行 (b)旋轉(zhuǎn)

(c)上浮 (d)下潛圖5 水下多自由度運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5 Underwater motion of multi-DoF

3 斜坡爬行ADAMS仿真

為了驗(yàn)證提出的陸地運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法可以協(xié)助機(jī)器人更好地適應(yīng)不同斜坡坡度，本文在ADAMS 2019環(huán)境下對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了該機(jī)器人在平坦地面、4°斜坡、8°斜坡和12°斜坡下機(jī)器人機(jī)身的穩(wěn)定性。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，首先將兩棲六足機(jī)器人的三維模型導(dǎo)入ADAMS中，如圖6所示，其所有運(yùn)動(dòng)肢的18個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，由于機(jī)器人的其他部件不需要移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，因此設(shè)置為固定副。本文采用了MATLAB Robotics Toolbox規(guī)劃運(yùn)動(dòng)肢的足端軌跡并求解相應(yīng)基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)處的關(guān)節(jié)角。運(yùn)動(dòng)肢的軌跡規(guī)劃分為擺動(dòng)與支撐兩部分，步態(tài)周期T設(shè)定為2 s，步長(zhǎng)為4 cm，最大抬腿高度為4 cm。將MATLAB求解出的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果導(dǎo)入ADAMS中生成樣條曲線，并作為驅(qū)動(dòng)函數(shù)使18個(gè)旋轉(zhuǎn)副旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成平地、各坡度斜坡的爬行任務(wù)。與此同時(shí)，為了保障機(jī)器人足端與行走地面有足夠的摩擦力，在ADAMS中靜態(tài)摩擦因數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)分別設(shè)置為0.3和0.25，仿真時(shí)長(zhǎng)為24 s。

圖6 導(dǎo)入ADAMS中的機(jī)器人三維模型Fig.6 The imported robot 3D model in ADAMS

為方便觀察機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)身的穩(wěn)定性，本文在機(jī)器人爬行起始位置建立全局坐標(biāo)系oxyz，如圖6所示。機(jī)器人在起始位置時(shí)的質(zhì)心剛好位于坐標(biāo)系原點(diǎn)，oxy平面平行于水平面，z軸正方向垂直于水平面，y軸方向指向機(jī)器人在平地爬行時(shí)水平前進(jìn)的方向。YF記為機(jī)器人沿斜坡前進(jìn)時(shí)的方向。圖7分別展示了機(jī)器人在平地、 4°斜坡、8°斜坡和12°斜坡下質(zhì)心在全局坐標(biāo)系下位移隨時(shí)間變化的情況。與平地爬行相比，機(jī)器人質(zhì)心在x軸方向的左右擺動(dòng)位移基本一致，均不超過0.3 cm。在z軸方向上，機(jī)器人機(jī)身隨坡度雖上下波動(dòng)略有增加，但總體來說位移曲線平滑沒有突變發(fā)生，這表明機(jī)器人在爬坡過程中機(jī)身質(zhì)心上下波動(dòng)較小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較高。此外，觀察機(jī)器人質(zhì)心在y軸的位移變化情況可知，機(jī)器人不論是在平地還是斜坡，其每一個(gè)步態(tài)周期位移均一致，運(yùn)動(dòng)流暢平穩(wěn)度較好，且運(yùn)動(dòng)肢之間也沒有相互干擾的情況出現(xiàn)。以上仿真結(jié)果一方面表明了機(jī)器人在爬行過程中具有較好的穩(wěn)定性，同時(shí)也從側(cè)面驗(yàn)證了該兩棲機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的合理性。

(a)平坦地面機(jī)器人質(zhì)心軌跡 (b)4°斜坡機(jī)器人質(zhì)心軌跡

(c)8°斜坡機(jī)器人質(zhì)心軌跡 (d)12°斜坡機(jī)器人質(zhì)心軌跡圖7 機(jī)器人不同斜坡爬行質(zhì)心位移曲線Fig.7 Displacement curve of the robot centroid on the different slopes

4 實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步評(píng)估兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，本文搭建完成了圖8所示的水陸兩棲機(jī)器人樣機(jī)，并分別測(cè)試機(jī)器人在陸地適應(yīng)斜坡地形以及在水下實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)的各項(xiàng)性能。

圖8 水陸兩棲六足機(jī)器人樣機(jī)Fig.8 Amphibious hexapod robot prototype

4.1 陸地實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用已搭建好的機(jī)器人樣機(jī)在與仿真相同實(shí)驗(yàn)地形下(平地、4°斜坡、8°斜坡和12°斜坡)進(jìn)一步測(cè)試陸地運(yùn)動(dòng)性能。機(jī)器人所爬行的斜坡由一塊長(zhǎng)1.4 m、寬0.7 m的木板搭建而成，且設(shè)置了標(biāo)尺以方便觀測(cè)機(jī)器人前進(jìn)的位移情況。圖9展示的是機(jī)器人在12°斜坡上向前爬行的過程，其中0～6 s為機(jī)器人獲取斜坡坡度并自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)身質(zhì)心高度的階段，6～30 s為機(jī)器人爬行階段。圖10展示了機(jī)器人在不同斜坡下的運(yùn)動(dòng)性能，可以看出，不論平地還是斜坡，爬行位移隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。這表明機(jī)器人爬行過程中速度恒定且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，對(duì)不同坡度的斜坡具有較好的適應(yīng)性。

圖9 機(jī)器人在12°斜坡爬行過程Fig.9 The process of the robot crawling on the 12° slope

圖10 不同斜坡下的運(yùn)動(dòng)性能Fig.10 Creeping performance of the robot prototype

表2對(duì)比了機(jī)器人在仿真環(huán)境下和現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的平均速度，總體而言，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度隨坡度的增加而減慢。樣機(jī)在平面爬行時(shí)，機(jī)器人前進(jìn)速度高達(dá)3.375 cm/s，機(jī)器人在12°斜坡爬行時(shí)速度減低至2.833 cm/s。在此需要說明，由于機(jī)器人足端與斜坡摩擦力有限，本文只驗(yàn)證了機(jī)器人在不超過12°斜坡下的運(yùn)動(dòng)性能，以防止其在爬行過程中出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。

表2 樣機(jī)的平均速度與仿真結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of creeping speeds between robot prototype and simulation results

4.2 水下實(shí)驗(yàn)

為評(píng)估兩棲機(jī)器人樣機(jī)在矢量推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)下的多自由度運(yùn)動(dòng)性能，本文進(jìn)行了包括直行、旋轉(zhuǎn)、上浮和下潛在內(nèi)的水下實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)均在一個(gè)小型戶外泳池中進(jìn)行，其長(zhǎng)寬高分別為4 m×1.5 m×1.6 m。

對(duì)于水下直行運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人6條運(yùn)動(dòng)肢可調(diào)整為圖5a所示的姿態(tài)，通過驅(qū)動(dòng)不同矢量推進(jìn)器并控制其噴水電機(jī)轉(zhuǎn)速，即可調(diào)整兩棲機(jī)器人樣機(jī)在水下以不同速度進(jìn)行直行運(yùn)動(dòng)。根據(jù)圖5a所示的矢量推進(jìn)器姿態(tài)，實(shí)驗(yàn)中將只開啟矢量推進(jìn)器1的驅(qū)動(dòng)方式稱為模式1；將開啟矢量推進(jìn)器2和3的方式稱為模式2；將同時(shí)開啟矢量推進(jìn)1、2、3的方式稱為模式3；將矢量推進(jìn)器1、2、3、4、5同時(shí)工作的方式稱為模式4。機(jī)器人樣機(jī)將分別在這4種驅(qū)動(dòng)模式下進(jìn)行直行運(yùn)動(dòng)，直行距離為2 m。在每種驅(qū)動(dòng)模式下，矢量推進(jìn)器的噴水電機(jī)將分別以2500，2750，3000，3250，3500 r/min的轉(zhuǎn)速為機(jī)器人提供動(dòng)力，其中3500 r/min是噴水電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。圖11a展示的是樣機(jī)在模式3下且噴水電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速輸出時(shí)機(jī)器人直線前行的過程。上述每組實(shí)驗(yàn)將重復(fù)5次用以統(tǒng)計(jì)機(jī)器人的平均速度。在4種驅(qū)動(dòng)模式下樣機(jī)的平均速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖11b所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的矢量推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)模式配合噴水電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可幫助兩棲機(jī)器人樣機(jī)在水下獲得較廣的直行速度范圍。其中，在模式1下若矢量推進(jìn)器的噴水電機(jī)以2500 r/min運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人的平均運(yùn)行速度只有6.9 cm/s；在模式4下，若矢量推進(jìn)器的噴水電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速下，它提供的推力可使機(jī)器人樣機(jī)以20.4 cm/s的平均速度直行。此外，機(jī)器人樣機(jī)在直行運(yùn)動(dòng)中這種低速與高速的轉(zhuǎn)換只需改變矢量推進(jìn)器的驅(qū)動(dòng)模式和噴水電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)，控制過程相對(duì)簡(jiǎn)便。

(a)機(jī)器人直行過程(模式3，額定轉(zhuǎn)速)

(b)不同模式不同轉(zhuǎn)速下的平均速度圖11 機(jī)器人水下直行實(shí)驗(yàn)Fig.11 Experiment of robot prototype moving forward

機(jī)器人樣機(jī)在水下實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可參考圖5b所示的矢量推進(jìn)器的姿態(tài)。由于運(yùn)動(dòng)肢與其初始位置的夾角θ不同，因此其每組矢量推進(jìn)器在機(jī)身產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不同，這將影響到機(jī)器人在原地轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。考慮到每條運(yùn)動(dòng)肢在基節(jié)關(guān)節(jié)處的機(jī)械結(jié)構(gòu)約束，其活動(dòng)范圍相對(duì)于初始位置最大轉(zhuǎn)動(dòng)為±60°，所以實(shí)驗(yàn)中分別選取了15°、30°、45°、60°四種情況，測(cè)試機(jī)器人樣機(jī)在噴水電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下原地旋轉(zhuǎn)情況。在每組實(shí)驗(yàn)下，機(jī)器人樣機(jī)旋轉(zhuǎn)4 s并通過自身搭載的陀螺儀記錄其角度，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次。圖12a展示了運(yùn)動(dòng)肢與其初始位置的夾角θ為60°時(shí)機(jī)器人樣機(jī)原地逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)4 s的過程，不難發(fā)現(xiàn)由于機(jī)器人矢量推進(jìn)器的姿態(tài)呈中心對(duì)稱，因此其機(jī)身所受合力可使其在靜水環(huán)境下原地旋轉(zhuǎn)。圖12b統(tǒng)計(jì)了機(jī)器人樣機(jī)在運(yùn)動(dòng)肢與其初始位置的夾角θ為15°、30°、45°和60°時(shí)旋轉(zhuǎn)角度與時(shí)間的關(guān)系。圖12b所示的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)預(yù)期一致，隨著運(yùn)動(dòng)肢與其初始位置的角度增大，矢量推進(jìn)器在機(jī)身產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩增大，因而旋轉(zhuǎn)角速度也隨之增大，在夾角θ為60°時(shí)機(jī)器人樣機(jī)的最大旋轉(zhuǎn)角速度可達(dá)44.5°/s。

(a)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)過程(θ=60°)

(b)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時(shí)其角度變化圖12 機(jī)器人水下旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)Fig.12 Experiment of robot prototype rotating

基于圖5c和圖5d所示的矢量推進(jìn)器姿態(tài)，機(jī)器人樣機(jī)在水下上浮、下潛的運(yùn)動(dòng)過程如圖13a所示。機(jī)器人在保持機(jī)身穩(wěn)定的前提下，經(jīng)過3 s可從距離水面51 cm處上浮至距離水面13.8 cm處。利用位于機(jī)器人機(jī)艙底部的壓力傳感器，圖13b展示了上浮和下潛過程中樣機(jī)當(dāng)前距離水面深度隨時(shí)間變化關(guān)系，該曲線在樣機(jī)上浮過程中基本呈線性分布，這表明其運(yùn)動(dòng)具有較好的平穩(wěn)性。

(a)機(jī)器人上浮下潛過程

(b)上浮下潛時(shí)機(jī)器人距水面深度變化圖13 機(jī)器人上浮下潛實(shí)驗(yàn)Fig.13 Experiment of robot prototype surfing and diving

5 結(jié)論

本文基于部分仿生的設(shè)計(jì)思想研發(fā)了一款水陸兩棲六足機(jī)器人。結(jié)合機(jī)器人的機(jī)械與電氣設(shè)計(jì)，本文對(duì)兩棲機(jī)器人進(jìn)行陸地和水下的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并利用ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證了機(jī)器人在不同斜坡路面爬行過程中的機(jī)身穩(wěn)定性。為進(jìn)一步評(píng)估機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性，本文搭建了機(jī)器人樣機(jī)并進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在陸地實(shí)驗(yàn)中，本文選取與仿真環(huán)境相同坡度的斜坡進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定且對(duì)不同坡度有較好的適應(yīng)性。在水下實(shí)驗(yàn)中，通過配置矢量推進(jìn)器的位姿，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了包括直行、旋轉(zhuǎn)、上浮和下潛在內(nèi)的多自由度運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證了它在水下運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與靈活性。針對(duì)機(jī)器人應(yīng)對(duì)陸地、水下及水陸過渡環(huán)境中的各項(xiàng)挑戰(zhàn)，后續(xù)將在已搭建好的水陸兩棲機(jī)器人平臺(tái)上采用機(jī)器視覺等手段，實(shí)現(xiàn)水陸運(yùn)動(dòng)模式的自動(dòng)切換并完成具有自主巡航功能的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制策略。