李亞鑫, 杜 亮, 王 宇, 楊 淼

(西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院,成都 610500,E-mail: liyaxin@swpu.edu.cn)

兩棲動(dòng)物在水陸及其交接過(guò)渡地帶活動(dòng),對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。與多數(shù)只能在單一環(huán)境下活動(dòng)的機(jī)器人不同[1-2],以兩棲動(dòng)物為原型研制的水陸兩棲機(jī)器人通常需借助不同的動(dòng)力源用以實(shí)現(xiàn)水下、陸地兩種運(yùn)動(dòng)模式,從而為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源勘探、沿海區(qū)域軍事防御等任務(wù)提供移動(dòng)式硬件平臺(tái)[3]。

為了提高兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性與機(jī)動(dòng)性,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在采用仿生式設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上,相繼提出了一系列復(fù)合驅(qū)動(dòng)型的機(jī)器人樣機(jī)[4-5]。東京工業(yè)大學(xué)的廣瀨教授基于半仿生推進(jìn)設(shè)計(jì)理念,研制了一款水陸兩棲蛇形機(jī)器人ACM-R5[6-7]。該機(jī)器人由9個(gè)防水模塊通過(guò)2自由度關(guān)節(jié)連接而成。每個(gè)關(guān)節(jié)外側(cè)由于安裝了被動(dòng)輪,機(jī)器人在陸地可通過(guò)擺動(dòng)加滾動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng);此外,關(guān)節(jié)上還集成了擺動(dòng)“鰭”,可起到“槳”的劃水作用,保障其在水下自由游動(dòng)。類似輪-鰭復(fù)合驅(qū)動(dòng)的方式還有北京理工大學(xué)楊毅教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的蛙型水陸兩棲機(jī)器FroBot[8-9]。通過(guò)周期性地?cái)[動(dòng)機(jī)器人兩后足,其足底安裝的萬(wàn)向輪可使機(jī)器人在平坦路面具有較快的移動(dòng)速度。基于蛙類在水下的運(yùn)動(dòng)模式,機(jī)器人兩后足配置了尾鰭可模擬青蛙的腳蹼,通過(guò)往復(fù)擺動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在水下運(yùn)行。但面對(duì)崎嶇、復(fù)雜的陸地環(huán)境,以上兩類機(jī)器人在地形適應(yīng)性方面將遇到較大挑戰(zhàn)。相較之下,腿式機(jī)器人由于運(yùn)動(dòng)肢具備多自由度,目前也是水陸兩棲機(jī)器人發(fā)展的重要方向。其中,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張世武教授團(tuán)隊(duì)提出的六足水陸兩棲機(jī)器人AmphiHex-Ⅱ采用可變剛度的腿-鰭復(fù)合結(jié)構(gòu)[10],在陸地上利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)扇形腿移動(dòng),其簡(jiǎn)單的水陸切換方式,也使集成在腿部的柔性鰭可輕松推動(dòng)機(jī)器人在水下實(shí)現(xiàn)多自由運(yùn)動(dòng)。這款腿-鰭復(fù)合式推進(jìn)結(jié)構(gòu)由于具備剛度可調(diào)的特性,大大增強(qiáng)了機(jī)器人適應(yīng)多變環(huán)境的能力。同樣受節(jié)肢動(dòng)物腿部生理特征的啟發(fā),一款“輪-腿-矢量噴水”復(fù)合驅(qū)動(dòng)的四足兩棲球型機(jī)器人也由北京信息科技大學(xué)研制而成[11]。該機(jī)器人不僅融合了輪式機(jī)器人在平坦路面移動(dòng)的快速性與腿式機(jī)器人對(duì)復(fù)雜地形的適應(yīng)性,還通過(guò)為每條運(yùn)動(dòng)肢添加噴水電機(jī),最大限度地保障了機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)的靈活性。

綜上所述,水陸兩棲機(jī)器人的推進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用不同動(dòng)力源相疊加的方式,即在面向單一環(huán)境的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上附加額外推進(jìn)裝置,這將導(dǎo)致水陸兩棲機(jī)器人的推進(jìn)器不僅機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且控制難度較大。因此,本文采用半仿生式的推進(jìn)器設(shè)計(jì)思路,提出了一款基于波動(dòng)鰭驅(qū)動(dòng)的水陸兩棲機(jī)器人。波動(dòng)鰭推進(jìn)方式通常被用于驅(qū)動(dòng)水下仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng),比如FESTO公司研發(fā)的BionicFinWave[12]、中科院自動(dòng)化所研發(fā)的RobCutt系列[13]、希臘克里特教育技術(shù)學(xué)院研發(fā)的SQUIDBOT系列[14]等。由于這類機(jī)器人鰭面多選用剛度較低的硅膠,若直接用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人很難支撐機(jī)體重量實(shí)現(xiàn)陸地運(yùn)動(dòng)。因此,本文從鰭面材料出發(fā),在水陸兩種環(huán)境下利用實(shí)驗(yàn)分析不同鰭面材料屬性對(duì)推進(jìn)器性能的影響,最終開發(fā)了一款適應(yīng)水陸兩棲環(huán)境的波動(dòng)鰭機(jī)器人。只需搭載一套推進(jìn)裝置,該機(jī)器人即可同時(shí)兼顧水下、陸地兩種運(yùn)動(dòng)模式,保障其運(yùn)動(dòng)靈活性的同時(shí)大大降低了機(jī)械設(shè)計(jì)和控制的復(fù)雜性。

1 水陸兩棲機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

通過(guò)觀察鰩科魚類的生理特征,不難發(fā)現(xiàn)其游動(dòng)的推進(jìn)力主要來(lái)源于身側(cè)一對(duì)寬大且能柔性運(yùn)動(dòng)的胸鰭。該胸鰭由數(shù)百根軟骨支撐,通過(guò)胸鰭肌肉組織連接在一起構(gòu)成柔性鰭面。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制下,胸鰭軟骨將有節(jié)律地上下擺動(dòng),從而帶動(dòng)鰭面波動(dòng)。此時(shí),鰭面形成的柔性波將推動(dòng)周圍流體使機(jī)器人獲取前進(jìn)動(dòng)力。本文提出的水陸兩棲機(jī)器人即采用了這種波動(dòng)鰭推進(jìn)方式,通過(guò)選擇合適的鰭面材料并配置關(guān)鍵的推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)模型參數(shù),該推進(jìn)方式可使機(jī)器人完成水陸兩種環(huán)境下的多自由度運(yùn)動(dòng)。

為模擬水下游動(dòng)鰩魚的外形,機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計(jì)如圖1所示。整機(jī)呈扁平狀,波動(dòng)鰭推進(jìn)器分布在機(jī)體兩側(cè)。綜合考慮鰩魚波動(dòng)鰭的生理特征與機(jī)械實(shí)現(xiàn)的局限性后,本文在機(jī)身兩側(cè)的鋁合金固定基座為推進(jìn)器安裝了18個(gè)防水舵機(jī),通過(guò)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式控制鰭條周期性地往復(fù)擺動(dòng),從而牽動(dòng)鰭面產(chǎn)生柔性波,模擬鰩魚胸鰭的節(jié)律性運(yùn)動(dòng)。與BionicFinWave這類采用電機(jī)聯(lián)動(dòng)機(jī)身兩側(cè)曲柄的方式不同,單鰭條獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式可靈活調(diào)整波動(dòng)鰭的運(yùn)動(dòng)參數(shù),從而便于切換水陸運(yùn)動(dòng)模式。在選擇鰭面材料方面,被鰭條帶動(dòng)的鰭面一方面要產(chǎn)生連續(xù)的柔性波推動(dòng)機(jī)器人在水下游動(dòng),另一方又需要具備一定硬度用于支撐機(jī)體保障其陸地運(yùn)行。因此,本文采用了楊氏模量較大的丁腈橡膠并將其設(shè)計(jì)成扇形用以模擬鰭面的柔性波動(dòng)。如圖2所示,因?yàn)樯刃析捗鎯?nèi)外弧長(zhǎng)不同,當(dāng)鰭條垂直于舵機(jī)安裝基座并以此為基準(zhǔn)固定鰭面時(shí),丁腈橡膠由于具有一定柔性將在鰭條的約束下自然卷曲成平滑的曲面。配合鰭條周期性地上下擺動(dòng),柔性鰭面將產(chǎn)生連續(xù)的正弦波,進(jìn)而在水動(dòng)力或摩擦力的推動(dòng)下使機(jī)器人完成水陸兩棲運(yùn)動(dòng)。

▲圖2 波動(dòng)鰭柔性鰭面

在裝配樣機(jī)時(shí),考慮到推進(jìn)器需要在陸地上承受機(jī)體重量,因此本文采用高性能尼龍材料3D打印了機(jī)器人機(jī)身與鰭條。輕量化的機(jī)身不僅減輕了機(jī)器人陸地運(yùn)行時(shí)舵機(jī)需要承擔(dān)的負(fù)荷,還保障其在水下具有良好的耐壓性。此外,由于鰭條也需要具備一定硬度用于帶動(dòng)柔性鰭面波動(dòng)產(chǎn)生推力,本文選擇了相同的3D打印材料。表1匯總了機(jī)器人樣機(jī)各項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 電氣電路設(shè)計(jì)

為便于實(shí)現(xiàn)兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制,密封于機(jī)體內(nèi)部的電氣電路如圖3所示。機(jī)器人主控板采用Stm32f103zet6,并通過(guò)串口通信連接舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板(LSC-24),分別控制18路防水舵機(jī)(HS-5086WP, Hitec)驅(qū)動(dòng)鰭條節(jié)律性擺動(dòng)?？紤]到機(jī)器人續(xù)航能力,機(jī)身內(nèi)置了一塊2 200 mAh的鋰電池,可維持機(jī)器人在額定功率下連續(xù)工作一小時(shí),并且該機(jī)器人機(jī)蓋還預(yù)留了充電口,方便機(jī)體在密封防水的前提下進(jìn)行續(xù)航能量補(bǔ)給。通過(guò)在樣機(jī)內(nèi)部搭載9軸陀螺儀(MPU9250)與壓力傳感器(MS5837-30BA),機(jī)器人可在水下與陸地實(shí)現(xiàn)多自由度自主運(yùn)動(dòng)控制。

▲圖3 電氣電路設(shè)計(jì)模塊圖

此外,密封機(jī)艙內(nèi)還配置了遙控接收器與程序調(diào)試器,這很大程度上方便了后續(xù)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序的在線調(diào)試。

2 波動(dòng)鰭推進(jìn)方式的運(yùn)動(dòng)模式規(guī)劃

基于上文的機(jī)械設(shè)計(jì),搭載波動(dòng)鰭的兩棲機(jī)器人可通過(guò)一套推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)水陸兩種環(huán)境下的運(yùn)動(dòng),因此這種靈活的仿生結(jié)構(gòu)將大大降低運(yùn)動(dòng)模式規(guī)劃的復(fù)雜性。

2.1 推進(jìn)器關(guān)鍵參數(shù)選定

根據(jù)波動(dòng)鰭運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)原理,鰭面上連續(xù)傳遞的柔性波是在鰭條周期性地?cái)[動(dòng)下形成的,因此,任何一根鰭條i的節(jié)律性運(yùn)動(dòng)均可用其偏離水平面的夾角θi表示為:

θi(t)=Asin[2πft+(i-1)φ0]+θB

(1)

如圖4所示,A表示鰭條擺動(dòng)的最大幅角(以偏離水平面θB的中性面為基準(zhǔn)),f和φ0反應(yīng)了鰭條運(yùn)動(dòng)的頻率以及相鄰鰭條之間的相位差。

為了保障鰭面生成的連續(xù)行波具有較好的平滑度,相鄰鰭條之間的相位差φ0不宜超過(guò)90°。同時(shí),機(jī)器人需借助鰭面在地面接觸點(diǎn)產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)陸地運(yùn)動(dòng),因此,其兩側(cè)推進(jìn)器的鰭面必須產(chǎn)生兩個(gè)完整的正弦波(w=2)以保障機(jī)身在任意時(shí)刻都處于穩(wěn)定狀態(tài)?；谝陨弦?波動(dòng)鰭鰭條個(gè)數(shù)N需要滿足如下方程:

▲圖4 波動(dòng)鰭鰭條的運(yùn)動(dòng)分析

(2)

上式解釋了單側(cè)推進(jìn)器鰭條設(shè)為9條的根本原因。

依據(jù)鰭條運(yùn)動(dòng)模型不難發(fā)現(xiàn),推進(jìn)器產(chǎn)生的推力在很大程度上取決于鰭條擺動(dòng)的幅角A與頻率f。本文選擇利用鰭條擺動(dòng)頻率來(lái)控制推進(jìn)器推力,其主要原因在于柔性鰭面的楊氏模量較大。若鰭條擺動(dòng)幅角選擇不合適則很容易拉伸鰭面,導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)鰭條運(yùn)動(dòng)的舵機(jī)超負(fù)荷工作。因此,根據(jù)相鄰鰭條之間幅角差呈周期性的關(guān)系:

(3)

2.2 運(yùn)動(dòng)模式規(guī)劃

綜合以上波動(dòng)鰭推進(jìn)器的關(guān)鍵參數(shù)選定原則,下面將依據(jù)鰭條運(yùn)動(dòng)模型的具體形式,規(guī)劃?rùn)C(jī)器人在水陸環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)的各種姿態(tài)。

機(jī)器人在水下游動(dòng)時(shí),為了保障自身的平穩(wěn)性,推進(jìn)器鰭面需要產(chǎn)生一個(gè)完整的正弦波(w=1),用以平衡機(jī)身上下的波動(dòng)。因此鰭條的運(yùn)動(dòng)參數(shù)可配置為:

θi(t)=26°sin[2πft±(i-1)45°]+θB

(4)

波動(dòng)鰭相鄰鰭條在該相位差(φ0=45°)下,鰭面將產(chǎn)生連續(xù)且平滑的正弦波,從而有助于提升推進(jìn)效率。當(dāng)鰭條依照公式4的運(yùn)動(dòng)模式上下擺動(dòng)時(shí),鰭面形成的柔性波將推動(dòng)周圍流體,使機(jī)器人獲得與正弦波傳播方向相反的推力FP且平行于機(jī)身,如圖4所示。與此同時(shí)鰭條的周期性運(yùn)動(dòng)也將在擺動(dòng)中性面產(chǎn)生垂直于機(jī)身的力FN。如圖5(a)所示,當(dāng)θB=0即推進(jìn)器在水平面波動(dòng)時(shí),通過(guò)為左右兩側(cè)的波動(dòng)鰭鰭條配置相同的擺動(dòng)頻率,推力FP將驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前行。此時(shí),機(jī)身兩側(cè)的FN也在水平面相互抵消。同理,當(dāng)機(jī)身一側(cè)推進(jìn)器改變鰭面正弦波傳播的方向,如圖5(b)所示,左右兩側(cè)相反推力FP將相對(duì)于機(jī)身質(zhì)心產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,從而驅(qū)動(dòng)其原地旋轉(zhuǎn)。若θB≠0即推進(jìn)器波動(dòng)的中性面偏離水平面時(shí),如圖5(c)和(d)所示,此時(shí)FN在垂直方向?qū)⒋嬖诜至?進(jìn)而調(diào)整機(jī)身的俯仰角,驅(qū)動(dòng)機(jī)器人上浮或下潛。

▲圖5 機(jī)器人水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

機(jī)器人在陸地運(yùn)行時(shí),由于波動(dòng)鰭需要支撐機(jī)體重量,因此機(jī)身每側(cè)鰭面需要至少產(chǎn)生兩個(gè)完整的正弦波,即任意時(shí)刻都可保障鰭面與地面有四個(gè)接觸點(diǎn)。為滿足此要求,配置相鄰鰭條相位差φ0=90°時(shí),鰭條運(yùn)動(dòng)模型表示為:

θi(t)=14°sin[2πft±(i-1)90°]+θB

(5)

▲圖6 機(jī)器人陸地運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

如圖6所示,波動(dòng)鰭中性面偏離水平面的角度θB將使FN起到鰭面對(duì)機(jī)身穩(wěn)定支撐的作用。通過(guò)控制推進(jìn)器鰭面正弦波的傳播方向,機(jī)身左右兩側(cè)波動(dòng)鰭產(chǎn)生的推力FP可使機(jī)器人輕松實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、倒退、原地旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。

3 波動(dòng)鰭推進(jìn)器的性能評(píng)估

針對(duì)兩棲機(jī)器人對(duì)波動(dòng)鰭推進(jìn)器水下及陸地運(yùn)動(dòng)模式提出的不同需求,不難發(fā)現(xiàn)鰭面材料特性對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能至關(guān)重要。因此,本文一方面選取了水下波動(dòng)鰭鰭面的常規(guī)材料硅膠與丁腈橡膠作對(duì)比;另一方面,考慮到鰭面需要具有一定支撐力,本文分別準(zhǔn)備了2 mm和3 mm厚度的硅膠和丁腈橡膠用以模擬不同剛度的鰭面,其相關(guān)材料特性見表2。基于圖7所示的測(cè)力裝置,本章重點(diǎn)分析推進(jìn)器采用不同材料屬性鰭面時(shí),其水下和陸地產(chǎn)生推力以及消耗功率的情況。

表2 不同鰭面的材料特性

如圖7所示,該測(cè)力裝置由長(zhǎng)寬高為1 200 mm×500 mm×800 mm的鋁合金支架搭建,一對(duì)波動(dòng)鰭推進(jìn)器通過(guò)一根連桿固定于高度可自由調(diào)節(jié)的光滑導(dǎo)軌上。實(shí)驗(yàn)中,本文基于上文建立的運(yùn)動(dòng)模型,通過(guò)控制鰭條擺動(dòng)頻率來(lái)測(cè)量推進(jìn)器產(chǎn)生的推力以及驅(qū)動(dòng)舵機(jī)消耗的總功率。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)五次,從壓力傳感器(JLBS-M2,量程為10 N)以及功率檢測(cè)模塊(ZK-J5X,量程為160 w)采集到的力與功率數(shù)據(jù),將實(shí)時(shí)傳輸至PC機(jī)端進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

▲圖7 推進(jìn)器測(cè)力裝置

波動(dòng)鰭水下性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,推進(jìn)器完全浸沒于長(zhǎng)寬深為850 mm×550 mm×500 mm的水箱中。鰭面材料分別配置了不同剛度,圖8匯總了鰭條擺動(dòng)頻率與推進(jìn)器產(chǎn)生的平均推力、功率消耗之間的關(guān)系。隨著鰭條擺動(dòng)頻率增大,鰭面上柔性波傳播速度加快,進(jìn)而借由周圍流體水動(dòng)力產(chǎn)生的推力也增強(qiáng),舵機(jī)驅(qū)動(dòng)鰭條運(yùn)動(dòng)的總能量開銷也增大。對(duì)比不同類型的鰭面,在功率差異不大的前提下,明顯3 mm厚度的丁腈橡膠產(chǎn)生的推力更大。因此,就水下推進(jìn)性能而言,3 mm厚度的丁腈橡膠更適合作為鰭面的首選材料。

▲圖8 波動(dòng)鰭水下推進(jìn)性能與鰭面材料、鰭條擺動(dòng)頻率的關(guān)系

與水下實(shí)驗(yàn)相對(duì)照,圖9展示了波動(dòng)鰭在光滑陸地上產(chǎn)生的平均推力與功率開銷隨鰭條擺動(dòng)頻率之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)考慮到驅(qū)動(dòng)鰭條運(yùn)動(dòng)的舵機(jī)有機(jī)械位置極限,將鰭條擺動(dòng)中性面與水平面夾角設(shè)置為θB=54°,由FN力分解可知,其可用于平衡機(jī)身重量。丁腈橡膠相較于硅膠楊氏模量較大,因此不僅具備足夠的剛度用于產(chǎn)生FN支撐機(jī)身,而且在波傳播方向形成的推力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅膠鰭面。與此同時(shí),3 mm厚度硅膠制成的鰭面,其陸地運(yùn)動(dòng)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于相同厚度的丁腈橡膠,特別是在功率開銷差異允許的情況下,3 mm厚度丁腈橡膠在陸地上產(chǎn)生的推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅膠。綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),鰭面材料選取3 mm厚度丁腈橡膠更適合將波動(dòng)鰭應(yīng)用于水陸兩棲環(huán)境。

▲圖9 波動(dòng)鰭陸地運(yùn)動(dòng)性能與鰭面材料、鰭條擺動(dòng)頻率的關(guān)系

4 兩棲機(jī)器人樣機(jī)運(yùn)動(dòng)性能評(píng)估

本文組裝搭建的水陸兩棲機(jī)器人樣機(jī)如圖10所示。為了評(píng)估搭載波動(dòng)鰭的兩棲機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能,實(shí)驗(yàn)過(guò)程以第二章兩棲運(yùn)動(dòng)模式為基礎(chǔ),分別測(cè)試了該機(jī)器人在水下與陸地實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)的各項(xiàng)性能。

4.1 水下實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)的靈活性與機(jī)動(dòng)性,本文在戶外小型泳池(長(zhǎng)寬深:4 000 mm×1 500 mm×850 mm)內(nèi)進(jìn)行了包括直行、原地旋轉(zhuǎn)、上浮下潛在內(nèi)的水下實(shí)驗(yàn)。考慮到泳池空間有限,機(jī)器人在游動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的水波經(jīng)池壁反射勢(shì)必會(huì)影響運(yùn)動(dòng)。因此,本文通過(guò)機(jī)身內(nèi)部搭載的陀螺儀感知位姿,采用PID控制算法調(diào)整左右側(cè)鰭條擺動(dòng)頻率的方式,控制機(jī)器人在平面運(yùn)動(dòng)的偏航角,從而探究其直行與原地旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)性能。

▲圖10 波動(dòng)鰭水陸兩棲機(jī)器人樣機(jī)

當(dāng)鰭條的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)在額定頻率2.4 Hz下工作時(shí),如圖11所示,機(jī)器人在泳池內(nèi)以池底標(biāo)尺為基準(zhǔn),可輕松實(shí)現(xiàn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。若使機(jī)身兩側(cè)波動(dòng)鰭產(chǎn)生的柔性波反向傳播,機(jī)器人即可完成后退運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí),本文通過(guò)改變波動(dòng)鰭鰭條擺動(dòng)頻率,且每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次,記錄下機(jī)器人在不同頻率下直行運(yùn)動(dòng)的平均速度與其平均偏航誤差。如圖12所示,機(jī)器人在水下直線航行速度與波動(dòng)鰭鰭條擺動(dòng)頻率呈正比關(guān)系,最大航行速度可達(dá)160 mm/s,且最大偏航角不超過(guò)2°。

▲圖11 機(jī)器人水下直行實(shí)驗(yàn)展示

▲圖12 機(jī)器人水下直行的運(yùn)動(dòng)性能

當(dāng)改變機(jī)器人單側(cè)推進(jìn)器上柔性波傳播方向時(shí),機(jī)身在兩側(cè)推進(jìn)器反向推力作用下可實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖13(a)匯總了機(jī)身原地旋轉(zhuǎn)時(shí)平均角速度與波動(dòng)鰭鰭條擺動(dòng)頻率之間的關(guān)系。隨著頻率增大,波動(dòng)鰭產(chǎn)生的推力增大進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)身旋轉(zhuǎn)的角速度增大。從偏航角控制誤差來(lái)觀察,平均值不超過(guò)1°,其控制準(zhǔn)確性較高。圖13(b)則展示了2.4 Hz頻率下機(jī)器人先后旋轉(zhuǎn)至90°、180°機(jī)身偏航角的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。偏航角在PID控制下雖然會(huì)產(chǎn)生了一定超調(diào)(不超過(guò)5.7%),但其響應(yīng)速度較快,且穩(wěn)態(tài)可以準(zhǔn)確跟隨設(shè)定值。

▲圖13 機(jī)器人水下原地旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)性能

根據(jù)機(jī)器人水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)規(guī)劃,當(dāng)波動(dòng)鰭中性面與水平面重合時(shí),機(jī)器人可通過(guò)改變鰭條擺動(dòng)頻率控制機(jī)身在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。若需要調(diào)節(jié)機(jī)器人縱向深度時(shí),中性面與水平面夾角θB就成為關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)。圖14展示了θB分別為15°、30°、45°,機(jī)器人實(shí)現(xiàn)上浮與下潛時(shí)其質(zhì)心距離水平面垂直深度隨時(shí)間變化的關(guān)系。顯然,鰭條擺動(dòng)的中性面與水平面夾角越大,機(jī)器人上浮和下潛的速度越快,其最大速度在θB=45°、f=2.4 Hz時(shí)可達(dá)40 mm/s和46 mm/s?；诖藢?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可將θB=45°設(shè)置為參考值,從而保障驅(qū)動(dòng)鰭條擺動(dòng)的舵機(jī)有一定運(yùn)動(dòng)裕量。此外,由于機(jī)器人內(nèi)部搭載了壓力傳感器,本文在其上浮、下潛運(yùn)動(dòng)時(shí)同樣采用了PID控制算法實(shí)現(xiàn)深度閉環(huán)控制,且控制精度良好。

4.2 陸地實(shí)驗(yàn)

根據(jù)波動(dòng)鰭在陸地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型,本節(jié)重點(diǎn)評(píng)估機(jī)器人樣機(jī)的陸地運(yùn)動(dòng)性能。圖15展示了機(jī)器人分別在瓷磚地面、塑膠跑道、瀝青路面和沙地的行進(jìn)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)波動(dòng)鰭鰭面材料和運(yùn)動(dòng)參數(shù)配置合理時(shí),其可提供足夠動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在不同類型路面上移動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)配置相同(θB=54°,f=2.4 Hz),在上述四種路面上分別重復(fù)5組實(shí)驗(yàn),圖16(a)匯總了其直線運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)身平均前進(jìn)位移與時(shí)間的關(guān)系。瓷磚地面由于光滑程度較高,波動(dòng)鰭鰭面產(chǎn)生的柔性波在傳播過(guò)程中所受摩擦力較小,因此機(jī)器人移動(dòng)速度較快,可達(dá)15.4 mm/s。相反,松軟的沙地會(huì)對(duì)波動(dòng)鰭的陸地運(yùn)動(dòng)影響較大,阻礙鰭面上柔性波的傳播,導(dǎo)致機(jī)器人在沙地移動(dòng)過(guò)程中速度較小。

▲圖14 機(jī)器人水下上浮、下潛的運(yùn)動(dòng)性能

▲圖15 機(jī)器人分別在瓷磚地面、塑膠跑道、瀝青路面和沙地的行進(jìn)過(guò)程

此外,通過(guò)改變機(jī)器人一側(cè)推進(jìn)器上行波傳播方向,機(jī)器人在陸地可同樣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。圖16(b)展示了機(jī)器人在光滑地面上轉(zhuǎn)向90°后繼續(xù)直線前行的運(yùn)動(dòng)性能。由機(jī)身質(zhì)心位置可知,機(jī)器人旋轉(zhuǎn)過(guò)程近乎在原地進(jìn)行,較小的旋轉(zhuǎn)半徑驗(yàn)證了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性。當(dāng)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí),其機(jī)身橫向和縱向波動(dòng)非常小,這也證明機(jī)器人在陸地運(yùn)動(dòng)具有較好的平穩(wěn)性。

▲圖16 機(jī)器人陸地運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

為了降低兩棲機(jī)器人推進(jìn)器設(shè)計(jì)的機(jī)械復(fù)雜性,本文基于鰩科魚類游動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特征,采用半仿生式設(shè)計(jì)思路研發(fā)了一款波動(dòng)鰭推進(jìn)的水陸兩棲機(jī)器人。通過(guò)為該推進(jìn)器規(guī)劃運(yùn)動(dòng)模式以及配置合理運(yùn)動(dòng)參數(shù),該機(jī)器人在波動(dòng)鰭驅(qū)動(dòng)下可輕松實(shí)現(xiàn)水下與陸地的多自由度運(yùn)動(dòng)并且模式切換簡(jiǎn)單。對(duì)比PES研發(fā)的有纜式波動(dòng)鰭兩棲機(jī)器人Velox[15],本文提出的機(jī)器人不需要通過(guò)電纜供電,因此大大降低了電纜被環(huán)境中水草或其他未知物體纏繞的風(fēng)險(xiǎn)。考慮到機(jī)器人需依靠攜帶的電池供電,本文一方面通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)使機(jī)身結(jié)構(gòu)輕便、緊湊;另一方面在參考推進(jìn)器功率開銷的前提下,通過(guò)實(shí)驗(yàn)為波動(dòng)鰭選取合適的鰭面。最終,本文選定將3 mm厚度的丁腈橡膠作為推進(jìn)器鰭面材料,并基于此搭建了機(jī)器人樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)部分測(cè)試了該樣機(jī)在水下、陸地的運(yùn)動(dòng)性能。在波動(dòng)鰭驅(qū)動(dòng)下樣機(jī)不僅可完成直行、原地旋轉(zhuǎn)、上浮下潛等水下運(yùn)動(dòng),而且其對(duì)不同類型路面也具有較好的適應(yīng)性。樣機(jī)在兩棲環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)證明了該機(jī)器人具有較好的靈活性與機(jī)動(dòng)性。