摘 要：針對陸地仿生機器人無法下水、水面作業(yè)機器人無法上岸的痛點，以及常見的球形兩棲機器人在陸地載重運輸時，無法保證其載重穩(wěn)定性，在水中靈活性不高等現(xiàn)狀，本文提出了一種水陸兩棲龜型載重機器人的設計。對“龜背”展開機構進行設計，展開“龜背”后形成載物平臺，在提供浮力的同時提升水面負載能力?！褒敱场毖b置利用水面的浮力、上下臂以及外推桿實現(xiàn)展開后的自鎖功能，保證了載重的穩(wěn)定性。“龜腿”采用簡單的合頁原理，提高機器人在水中的靈活性。經(jīng)實驗計算證明，“龜背”載重可達自身重量的5倍，“龜腿”可在僅靠舵機驅動的方式下提高劃行效率。并利用ESP8266 WiFi串口模塊和ESP8266 Web Server庫搭建網(wǎng)頁服務器，通過瀏覽器訪問進行設備控制。

關鍵詞：水陸兩棲；仿生機器人；折疊開合機構；四足機器人；載重機器人； 物聯(lián)網(wǎng)技術

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

近年來，各種類型的機器人得到廣泛關注。有采用腿足式、履帶-漿式、輪漿式的仿生機器人[1-3]，有以蜥蜴為仿生原型的Kim[4]六足機器人，有基于多關節(jié)變形鰭設計的AmphiHex-I機器人[5]和以分體式機體的擺動實現(xiàn)兩棲環(huán)境游走的游走式機器人[6]，還有兩棲球形機器人[7]。這些機器人通過模仿某一種兩棲生物來實現(xiàn)運動，兩棲環(huán)境適應程度有限[8]。本項目借鑒生物龜?shù)纳眢w結構特點和運動方式，設計了一款具有高負載性、多變形性等特點的兩棲仿生龜形態(tài)機器人。針對當前陸地仿生機器人無法下水、水面作業(yè)機器人無法上岸以及現(xiàn)階段兩棲仿生機器人作業(yè)能力不強的痛點，以傳統(tǒng)四足機器人為基礎載體，對其“背部”和“腿部”重新設計，提高其靈活性、續(xù)航能力、水陸全能能力、水面運載能力。

本項目是對提高水陸兩棲機器人實用性的探索，具有很強的現(xiàn)實意義。

1 “龜背”展開機構

設計可展開、收縮自由轉換的龜背裝置，展開后的龜背裝置像翻過來的龜殼，展開后的面積為原來的四倍，增大了機器人的浮力和水面負載能力，容載空間較大，在水面上運載時負載可達到自身重量的5倍。

“龜背”的展開機構主要是旋轉拓展和折疊打開兩種聯(lián)動開合機構。此機構中包括基準板、滑塊、內(nèi)推桿、旋轉圓盤組成的旋轉拓展機構以及外推桿和外臂組成的折疊開合機構，如圖1所示?；瑝K固定在滑桿上，由舵機給旋轉圓盤提供旋轉驅動力，帶動內(nèi)推桿推動滑塊，從而推動外推桿帶動外臂實現(xiàn)機構的展開。

“龜背”的展開體積隨著外臂展開角度的不同而不同，體積與浮力相關，圖2和圖3所示分別為“龜背”的機構簡圖和坐標圖。以大舵機的旋轉軸為原點，此機構由旋轉拓展機構和折疊開合機構組成。由SolidWorks測量可得旋轉圓盤半徑Rab=37 mm、內(nèi)推桿Lbc=59.15 mm、外推桿Lce=55 mm、

外臂Lof=119.64 mm、外臂旋轉軸距離舵機的水平距離xo=115.58 mm、外推桿到“龜背”底端的垂直距離

h=11.15 mm。

外臂的頂點為F（xf， yf）、外推桿和外臂的連接處為E（xe， ye），E到O的距離為OE，滑臺的旋轉軸為C（xc， yc），設舵機旋轉角度為θ，“龜背”展開的體積為V。通過計算

可得：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

得到外臂的頂點后對外臂與坐標軸圍成的面積進行旋轉積分，可得外臂展開體積的近似函數(shù)，設積分變量為x，y，則外臂在坐標系里的直線表達式為：

（6）

（7）

通過在MATLAB中運算后得到舵機從0°到90°時“龜背”展開的體積變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，“龜背”展開的體積可達7.06×106 mm3。通過SolidWorks計算可以得到其他零件的質(zhì)量、體積，見表1、表2所列。

可得烏龜?shù)目傮w積V總=7.130 3×106 mm3，因此由總質(zhì)量和總體積可得烏龜?shù)钠骄芏龋?/p>

ρ=M總/V總=1 202 g/7.130 3×106 mm3=0.168 g/cm3" " " （8）

水的密度為1 g/ cm3，烏龜?shù)钠骄芏让黠@小于水的密度，所以烏龜可以浮于水面。

求烏龜?shù)妮d重量M載，利用阿基米德原理：F浮=G液排=

ρ液gV排和二力平衡公式F浮=G物得：

ρ液V排g-M總g=M載g" " " " " " " " " " " " " " "（9）

ρ液=ρ水" " " " " " " " " " （10）

V排=V總" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（11）

M載=ρ水V總-M總=0.168×7.130 3×103 g-1 202 g=5 928.3 g" （12）

因此載重量可達自身重量的近5倍。

2 “龜背”自鎖功能

利用水面的浮力、外臂、內(nèi)臂以及外推桿實現(xiàn)“龜背”裝置展開后的自鎖功能（裝置如圖5所示），在水面上運行時，水面的推力對外臂有一個朝向圓盤的斜向上的力，當圓盤不轉動時，僅靠外推桿的作用，內(nèi)推桿不會發(fā)生轉動，即滑塊相對于滑桿不能滑動，使得水面的推力無法將展開狀態(tài)的“龜背”裝置收縮，實現(xiàn)“龜背”裝置展開后的自鎖。在不需要額外添加裝置的情況下，避免負重過重時，水面的推力將展開的“龜背”裝置推回去，導致載重物體掉落。

3 “龜腿”劃水功能

烏龜在靜止水域工作，所以“龜腿”在水下的工作面積即為合頁的實際面積，假定此面積為一塊浸在水中受水流作用并以一定速度運動的“絕壁薄板”[9]，由此推導出烏龜在水下的推力計算公式?！敖^壁薄板”的運動受力分析如圖6所示。圖7所示為合頁擋板的尺寸。

舵機旋轉軸到合頁對稱軸的距離R=99.52 mm，V為合頁運動速度（即擋板的圓周切向速度），由舵機的旋轉角速度決定，則合頁的運動速度為：

（13）

當合頁運動時，根據(jù)水動力計算公式[10]，合頁在水中所受到的水流作用力為：

（14）

式中：C為阻力系數(shù)0.932；ρ為水的密度，當t=4 ℃時，ρ=1 000 kg/m3；A為合頁的迎水工作面積（m2）；V為合頁的運動速度（m/s）。

當“龜腿”向后擺動時，由于合頁受到自身重力的影響會下垂，水流反向推動合頁時，合頁被限位，因此此時“龜腿”的工作面積即圖7所示面積為：

A后=58 mm×44 mm-11 mm×19.88 mm=2.333 32×10-3m2 （15）

當烏龜向前運動時，四條腿同時向后擺動產(chǎn)生的推力為：

F后=1/2CρA后V2

=0.5×0.932×1 000×2.333 32×10-3×（0.099 52ω）2

=1.07×10-2ω2" " " " " "（16）

當“龜腿”向前擺動時，由于水對合頁有推力，合頁沒有被限位因此合頁打開，處于近似平行位置，此時“龜腿”的工作面積為合頁頂端的橫截面：

A前=58 mm×2 mm=1.16×10-4m2" " " " " " nbsp; " " " " " " " "（17）

當烏龜四條腿同時向前擺動時產(chǎn)生的推力為：

F前=1/2CρA前V2

=0.5×0.932×1 000×1.16×10-4×（0.099 52ω）2

=5.353 8×10-4ω2" " " " " "（18）

由比較可得：“龜腿”向后擺的推力明顯大于向前擺的推力，“烏龜”能夠在水中行進。

“龜腿機構”采用簡單的合頁原理。在水面上劃行時，能夠實現(xiàn)僅靠舵機驅動裝置自主增加后劃并減小前劃的阻力，提高水面上的劃行效率，從而降低功耗、成本以及控制難度?！褒斖取本植咳鐖D8所示。

4 運動控制設置

以ESP8266開發(fā)板為中央控制系統(tǒng)，利用ESP8266 WiFi串口模塊和ESP8266 Web Server庫搭建網(wǎng)頁服務器，通過TCP協(xié)議通信，運用Station工作模式和透傳功能，使用手機登錄瀏覽器進行相應操作，包括步態(tài)運動、龜背裝置的展開與收縮、水中擺動、水中轉向等動作。運動控制參數(shù)見表3所列。

5 結 語

本文設計了一種具有載重功能的水陸兩棲機器人。對其背部進行變形設計，能提供原先體積4倍的穩(wěn)定的載物平臺。通過舵機驅動實現(xiàn)主動折疊變形，改變自身體積的同時為水面漂浮提供浮力。經(jīng)計算得出機器人可負重自身重量5倍的重物。且在不額外增加其他裝置的情況下，用現(xiàn)有機構實現(xiàn)展開后的自鎖，保證載物穩(wěn)定。并以ESP8266開發(fā)板為中央控制系統(tǒng)，搭載WiFi模塊，利用ESP8266WiFi串口模塊和ESP8266WebServer庫搭建網(wǎng)頁服務器，通過瀏覽器訪問進行設備控制。

參考文獻

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