張藝博，李萬(wàn)鐘，李偉斌

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710399）

0 引言

廣闊的海洋中蘊(yùn)含著豐富的資源，在陸地資源已被大量發(fā)掘的今天，海洋的戰(zhàn)略地位越來(lái)越重要，許多國(guó)家將研究重心由陸地轉(zhuǎn)向了海洋。在充分發(fā)掘海洋資源之前，陸地與海洋銜接的板塊是繞不過(guò)去的一道坎，必須先對(duì)這一領(lǐng)域具備充分的了解；人類(lèi)進(jìn)入這樣的未知領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)地探測(cè)并不現(xiàn)實(shí)，使用水下機(jī)器人替代無(wú)疑是明智的選擇，而單一運(yùn)動(dòng)模式的水下機(jī)器人又難以勝任這種復(fù)雜環(huán)境下的工作，面對(duì)這種情境，能夠自由切換水陸運(yùn)動(dòng)的兩棲機(jī)器人較好地解決該矛盾[1]。

世界各國(guó)的科研人員紛紛仿照自然生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，成功研發(fā)出大量具有自然生物運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的仿生型水下機(jī)器人；我國(guó)近40年以來(lái)在NSFC（國(guó)家自然學(xué)科基金委員會(huì)）的大力資助下，在水下機(jī)器人與兩棲機(jī)器人研究領(lǐng)域取得了巨大的突破。哈爾濱工程大學(xué)開(kāi)發(fā)的兩棲仿生機(jī)械蟹具有8足、24自由度，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以雙四足步態(tài)[2]保證仿生機(jī)械蟹高速高效的行進(jìn)，能夠在淺水與兩棲環(huán)境實(shí)現(xiàn)一定自主性作業(yè)；中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研發(fā)的多連桿仿生海豚，可實(shí)現(xiàn)偏航與俯仰的運(yùn)動(dòng)，且首次在水下機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了混合雜技特技[3]；清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等都對(duì)水下仿生機(jī)器人作了較深入的研究，并取得了一定成果；目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于水下仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)特性方面有了一定的研究，但是大多數(shù)水下仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)都具有單一性[4]，而目前已有的兩棲仿生機(jī)器人包含機(jī)動(dòng)性能差、復(fù)雜地形適應(yīng)性弱、兩棲運(yùn)動(dòng)兼顧性差等缺點(diǎn)。

鱷魚(yú)經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化演繹，繼承了魚(yú)類(lèi)祖先善水性的特點(diǎn)，又演變出了一套適應(yīng)陸地生活的新性狀，這種特性為兩棲仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了很好的生物原型。本文以鱷魚(yú)為生物原型，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)兩棲運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)器人，致力于能夠更好地融入水下環(huán)境，完成水下各項(xiàng)工作，對(duì)于科研考察、軍事應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著重要的意義。

1 設(shè)計(jì)思路

對(duì)于絕大多數(shù)的兩棲仿生機(jī)器人，常采用的兩棲運(yùn)動(dòng)方式有兩種：槳葉式與波動(dòng)式。波動(dòng)式是利用身體或尾部協(xié)調(diào)擺動(dòng)前進(jìn)，采用這種運(yùn)動(dòng)方式在陸地上運(yùn)動(dòng)時(shí)，有較好的越障能力與運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，但是運(yùn)動(dòng)的速度較低且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)節(jié)多不易實(shí)現(xiàn)控制，機(jī)動(dòng)性能差；槳葉式是將螺旋槳推進(jìn)器與陸地爬行機(jī)構(gòu)組合起來(lái)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)爬行和游動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)模式間的自由切換，這種運(yùn)動(dòng)方式環(huán)境適應(yīng)能力比較好，在崎嶇不平的地形也能穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)速度較快。因此本文中仿生機(jī)械鱷魚(yú)的運(yùn)動(dòng)方式采用槳葉式，并選擇STM32 單片機(jī)作為仿生機(jī)械鱷魚(yú)的控制系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)分析

2.1 外形仿生設(shè)計(jì)

仿生機(jī)器鱷魚(yú)在外形上要滿足盡可能小的形體阻力[5]，沿用仿生學(xué)中的類(lèi)比和模仿的方法，仿照真實(shí)生物鱷魚(yú)的外形，如圖1所示。

圖1 仿生外殼

考慮到水下環(huán)境，材料首先應(yīng)具有良好的密封和防水性能，仿生機(jī)器鱷魚(yú)的外殼模型采用樹(shù)脂3D打印技術(shù)一次成型的流線型剛性外殼，采用剛性外殼不僅可以為內(nèi)部的控制系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)盡可能提供大的設(shè)計(jì)空間，也可以將有限的空間資源運(yùn)用到亟需的有效負(fù)載，同時(shí)最大程度簡(jiǎn)化系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的可靠性；鱷魚(yú)內(nèi)部為中空腔體，內(nèi)置系統(tǒng)電源與STM32 單片機(jī)，利用熱縮蒙皮作為鱷魚(yú)外殼的衣體，使其具有良好的防水性能，如圖2所示。

圖2 仿生機(jī)械鱷魚(yú)內(nèi)部構(gòu)造

2.2 機(jī)械設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是仿生機(jī)械鱷魚(yú)的運(yùn)力來(lái)源，其性能的優(yōu)劣直接決定了仿生機(jī)械鱷魚(yú)能否有效的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，為了使鱷魚(yú)具有較高的行動(dòng)速度和良好的機(jī)動(dòng)性，應(yīng)選擇重量較輕、扭矩較大、反應(yīng)速度快、可變頻調(diào)速、機(jī)械效率高的驅(qū)動(dòng)裝置?？紤]到鱷魚(yú)的爬行方式具有時(shí)變性和周期性，因此本文中所設(shè)計(jì)的仿生機(jī)械鱷魚(yú)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，如圖3所示。

圖3 仿生機(jī)械鱷魚(yú)內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)

仿生機(jī)械鱷魚(yú)的陸地爬行運(yùn)動(dòng)主要通過(guò)微型130 驅(qū)動(dòng)電機(jī)將轉(zhuǎn)矩輸入齒輪減速箱，經(jīng)齒輪減速箱多級(jí)減速將轉(zhuǎn)矩傳遞給輸出軸，輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)非同心滾輪作圓周運(yùn)動(dòng)，非同心滾輪以間隙配合鉚接于連桿槽孔中，連桿上設(shè)有卡槽用以固定肢體連接件防止鱷魚(yú)肢體發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)，非同心滾輪牽引連桿作往復(fù)圓周運(yùn)動(dòng)，鱷魚(yú)四肢通過(guò)肢體連接件鉚接于連桿限位孔中，連桿的往復(fù)圓周運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)鱷魚(yú)四肢間的步調(diào)協(xié)調(diào)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鱷魚(yú)的搖擺式爬行，如圖4所示。

圖4 齒輪減速箱

如圖5所示，0～3T∕4 時(shí)間內(nèi)連桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下非同心滾輪作圓周運(yùn)動(dòng)；0T時(shí)刻，非同心滾輪位于圓周最右側(cè)；T∕4時(shí)刻，非同心滾輪轉(zhuǎn)過(guò)90°帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)至圓周最高點(diǎn)，此時(shí)鱷魚(yú)腹部與地面距離最小；1T∕2 時(shí)刻，非同心滾輪轉(zhuǎn)過(guò)180°帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)至圓周最左側(cè)；3T∕4 時(shí)刻，非同心滾輪轉(zhuǎn)過(guò)270°帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)至圓周最低點(diǎn)；T∕4時(shí)刻后，非同心滾輪回到起始位置，此后過(guò)程依次重復(fù)循環(huán)。

圖5 連桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置

當(dāng)仿生機(jī)械鱷魚(yú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)面臨既要陸地爬行又要水中游動(dòng)的工作環(huán)境，這就要求仿生機(jī)械鱷魚(yú)的水陸運(yùn)動(dòng)模式能實(shí)現(xiàn)有效的切換，因?yàn)樗泻完懙氐倪\(yùn)動(dòng)環(huán)境不同，仿生機(jī)械鱷魚(yú)采用的驅(qū)動(dòng)方式也不盡相同，這就要求驅(qū)動(dòng)模式能在極短時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)變；而當(dāng)采用水陸復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu)時(shí)，驅(qū)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變意味著控制系統(tǒng)的參數(shù)要在水陸兩種模式之間進(jìn)行變換[6]，但是如果直接從一種控制模式切換到另一種控制模式時(shí)，因其運(yùn)動(dòng)慣性的存在，鱷魚(yú)的運(yùn)動(dòng)方式不可能發(fā)生瞬間的轉(zhuǎn)變，這時(shí)就有可能會(huì)引起運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的相互干涉而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)，從而達(dá)不到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)效果，因此本文中的仿生機(jī)械鱷魚(yú)采用兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩棲運(yùn)動(dòng)。

為保證仿生機(jī)械鱷魚(yú)在水下平穩(wěn)游動(dòng)，鱷魚(yú)需在水體中保持懸浮態(tài)，因此其整體密度必須接近液體介質(zhì)的密度，而仿生機(jī)械鱷魚(yú)的質(zhì)心位于腹板后半部分，因此需要附加一定的配重[7]，才能實(shí)現(xiàn)上述要求，如圖6所示。

圖6 仿生機(jī)械鱷魚(yú)質(zhì)量分布

其質(zhì)心(xc,yc)計(jì)算公式為：

式中：(xc,yc)為質(zhì)心坐標(biāo)；xe、ye、xmi、ymi、xwi、ywi分別為系統(tǒng)電源、電機(jī)、配重的坐標(biāo)；me、mmi、mwi、mc分別為系統(tǒng)電源、電機(jī)、配重以及質(zhì)心的質(zhì)量。

為滿足密度條件，則需下式成立：

式中：Gb為鱷魚(yú)的重力；Gw為鱷魚(yú)下沉排水的重力；ρw為液體介質(zhì)（水）的密度；Vw為鱷魚(yú)下沉排水的體積。

同時(shí)為了避免仿生機(jī)械鱷魚(yú)在水下產(chǎn)生靜態(tài)橫傾角，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，各項(xiàng)設(shè)備的布置左右對(duì)稱(chēng)，要求保持其重心位于中縱剖面上，遵循這個(gè)設(shè)計(jì)原則，成對(duì)的設(shè)備以仿生機(jī)械鱷魚(yú)的幾何中心對(duì)稱(chēng)安裝，基于上述內(nèi)容，仿生機(jī)械鱷魚(yú)水下游動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源主要依靠于對(duì)稱(chēng)布置在腹板兩側(cè)的一對(duì)8520空心杯電機(jī)，帶動(dòng)螺旋槳扇葉為鱷魚(yú)在水下的游動(dòng)提供推進(jìn)力，如圖7所示。

圖7 8520空心杯電機(jī)

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為核心，通過(guò)端子引線與鱷魚(yú)體內(nèi)部各驅(qū)動(dòng)電機(jī)建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)械鱷魚(yú)的運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊對(duì)傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、傳輸以及數(shù)據(jù)篩選等功能[8]。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制，將相應(yīng)控制信息傳輸?shù)街付ㄖ噶罱涌?，?qū)動(dòng)微型130 電機(jī)與8520 空心杯電機(jī)改變其輸出扭矩，并保證輸出一定的有效功率，從而實(shí)現(xiàn)鱷魚(yú)的前進(jìn)后退與轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)；在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，利用姿態(tài)傳感器以及紅外傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變以及運(yùn)動(dòng)方向的更改，同時(shí)保證仿生機(jī)械鱷魚(yú)的姿態(tài)平衡并實(shí)現(xiàn)水下避障等功能。圖8所示為仿生機(jī)械鱷魚(yú)總控制結(jié)構(gòu)。

圖8 仿生機(jī)械鱷魚(yú)總控制結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

為保證仿生機(jī)械鱷魚(yú)運(yùn)動(dòng)的可靠性，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)端子電壓與輸出扭矩進(jìn)行了試驗(yàn)；通過(guò)調(diào)節(jié)微型130 電機(jī)與8520空心杯電機(jī)端子電壓，改變電機(jī)的輸出扭矩，確定了仿生機(jī)械鱷魚(yú)輸出最大有效動(dòng)力時(shí)的電壓。

由圖9可知，微型130 電機(jī)與8520 空心杯電機(jī)端子電壓與輸出扭矩之間有如下關(guān)系；微型130 電機(jī)與8520空心杯電機(jī)的輸出扭矩隨端子電壓的增大先呈上升趨勢(shì)，隨電機(jī)的端子電壓增大到一定程度時(shí)，電機(jī)的輸出扭矩開(kāi)始下降。當(dāng)端子電壓維持在4.5 V左右時(shí)，電機(jī)輸出扭矩達(dá)到最大，此時(shí)仿生機(jī)械鱷魚(yú)可輸出最大有效動(dòng)力。

圖9 端子電壓與輸出扭矩關(guān)系曲線

4 應(yīng)用前景

（1）水環(huán)境監(jiān)測(cè)

利用水下仿生機(jī)器人配備的渾濁度傳感器、溫度傳感器、含氧量傳感器、PH傳感器、葉綠素以及氨氮傳感器等來(lái)檢測(cè)水環(huán)境污染標(biāo)準(zhǔn)的一些參數(shù)值[9]，并將傳感器收集的數(shù)據(jù)在前端經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，經(jīng)由中端將這些數(shù)據(jù)傳輸給終端，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定域的水環(huán)境監(jiān)測(cè)。

（2）水下勘探

流體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和渾濁水體目標(biāo)探測(cè)是目前水下環(huán)境探測(cè)技術(shù)亟待解決的難題[10]，我國(guó)近海海域及內(nèi)水廣泛分布著大量的渾濁水體，這些水域水流復(fù)雜、水體高度渾濁、水底地形多變，在這樣的極端環(huán)境下，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)設(shè)備及目標(biāo)探測(cè)技術(shù)無(wú)法有效發(fā)揮作用，極大的制約了人類(lèi)在特殊水下環(huán)境執(zhí)行環(huán)境勘察、工程施工、水下安保、搶險(xiǎn)救援[11]等急難險(xiǎn)重任務(wù)的能力，而水下仿生機(jī)器人具有高機(jī)動(dòng)、低擾動(dòng)、無(wú)污染與高推進(jìn)效率等特點(diǎn)能夠較好的應(yīng)對(duì)上述惡劣環(huán)境。

（3）供水排污管道、河底穿越管線監(jiān)測(cè)

管道在長(zhǎng)期服役狀態(tài)下，受到腐蝕、沖蝕、摩擦、重壓及外部力沖擊等作用，內(nèi)壁易產(chǎn)生漏孔、裂紋及壁厚減薄等現(xiàn)象，造成管道破裂失效。一旦管道失效，極易引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，危及人身財(cái)產(chǎn)安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重者將會(huì)危害到生態(tài)環(huán)境安全；由于水下仿生機(jī)器人靈活多變，可以到達(dá)工作人員無(wú)法進(jìn)入的狹窄或復(fù)雜空間進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)還可攜帶必要的檢測(cè)設(shè)備自由穿梭，利用水下仿生機(jī)器人定期監(jiān)測(cè)可有效避免此類(lèi)事故的發(fā)生。

（4）水工構(gòu)筑物、基礎(chǔ)設(shè)施缺陷檢測(cè)與測(cè)量

水工建筑物包括大壩、引水隧洞、水庫(kù)建筑設(shè)施等，水工建筑物的狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)于其能否正常運(yùn)行有著極其重要的意義，而水工建筑物通常采用定期排水人工檢測(cè)的方式，而這種方式存在風(fēng)險(xiǎn)高、效率低等方面的制約，而水下仿生機(jī)器人能大幅縮短檢測(cè)周期，檢測(cè)許多人工無(wú)法檢測(cè)的部位，確保及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題[12]。

基礎(chǔ)設(shè)施在惡劣的水下環(huán)境造成的持續(xù)磨損和腐蝕推高了維護(hù)成本，這些任務(wù)目前主要使用遙控潛水器（ROV）進(jìn)行，通常需要系繩和人工操作員，或者使用自主水下航行器（AUV），它們的可訪問(wèn)性和可操作性受到限制，為了降低人工維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本,可利用水下仿生機(jī)器人對(duì)水下電纜、海上風(fēng)場(chǎng)、電場(chǎng)、等多種水下基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行檢查與測(cè)量[13-14]。

（5）其他領(lǐng)域

水下仿生機(jī)器人未來(lái)的另一應(yīng)用領(lǐng)域是研究使用多水下仿生機(jī)器人組成的編隊(duì)通過(guò)相互協(xié)調(diào)執(zhí)行大規(guī)模海底監(jiān)測(cè)或探索任務(wù)，例如海底測(cè)繪、海洋考古學(xué)等，水下仿生機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步為水下遺產(chǎn)遺址的測(cè)繪和記錄提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集解決方案[15]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)陸地爬行與水下游動(dòng)且結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低的水陸兩棲仿生機(jī)械鱷魚(yú)，并對(duì)仿生機(jī)械鱷魚(yú)的爬行機(jī)構(gòu)、游動(dòng)機(jī)構(gòu)以及控制端進(jìn)行了系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)；仿生機(jī)械鱷魚(yú)在運(yùn)動(dòng)方面采用了多電機(jī)組合的驅(qū)動(dòng)方式，避免了一套復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)切換時(shí)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的相互干涉而引起運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)，并對(duì)仿生機(jī)械鱷魚(yú)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的端子電壓與輸出扭矩進(jìn)行了測(cè)試，得出當(dāng)端子電壓為4.5 V時(shí)，仿生機(jī)械鱷魚(yú)有效動(dòng)力達(dá)到最大。

在人工控制的基礎(chǔ)之上，添加了姿態(tài)傳感器以及避障傳感器，確保仿生機(jī)械鱷魚(yú)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)械鱷魚(yú)的自主巡航及避障，在一定程度上，提高了鱷魚(yú)的靈活性；仿生機(jī)械鱷魚(yú)口腔及周身部位可接入諸類(lèi)數(shù)字傳感器（渾濁度傳感器、溫度傳感器、含氧量傳感器、PH 傳感器、葉綠素以及氨氮傳感器），可使其實(shí)現(xiàn)多環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)。

該仿生機(jī)械鱷魚(yú)致力于能夠更好地融入水下環(huán)境，進(jìn)而完成各項(xiàng)水下工作，對(duì)于科研考察、軍事應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測(cè)、水工構(gòu)筑物、基礎(chǔ)設(shè)施缺陷檢測(cè)和測(cè)量、供水排污管道、河底穿越管線監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著重要的意義。