仿蜥蜴機器人腳掌形狀面元法優(yōu)化設計

顧佳朋　顧明迪

摘要：仿蜥蜴機器人是模擬蛇怪蜥蜴運動方式實現(xiàn)水面行走的機器人，其腳掌形狀及其運動特性決定了機器人能否實現(xiàn)水面快速行走。在對蜥蜴原型運動機理進行分析的基礎上，利用面元法對不同截面形狀的腳掌流體特性進行分析計算，通過對比不同截面形狀腳掌表面的速度分布曲線和壓力系數(shù)分布曲線，對機器人腳掌的截面形狀進行優(yōu)化設計，使機器人腳掌在拍擊水面時產(chǎn)生較大的升力。

關鍵詞：蛇怪蜥蜴;機器人腳掌;面元法;壓力系數(shù)

中圖分類號：TP24

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.064

蛇怪蜥蜴具有只用后腿在水上運動的能力，其水上行走速度可以達到1.5 m/s[1]?？▋然仿〈髮W梅汀-西蒂副教授的研制成果“水上奔跑者”，能夠在水面上快速行走[2]。軍械工程學院、中國科學院合肥物質科學研究院、上海大學等國內學者也對仿蜥蜴機器人進行研究[3-6]。仿蜥蜴機器人腳掌拍擊水面產(chǎn)生的升力大小決定了機器人能否在水面行走而不沉入水中，而機器人腳掌的截面形狀決定了所產(chǎn)生升力的大小。本文通過面元法對機器人腳掌截面形狀進行優(yōu)化設計，得到能夠產(chǎn)生較大升力的機器人腳掌。

1 機器人腳掌模型及面元法優(yōu)化設計

本文設計了兩種不同截面形狀的機器人腳掌，梯形截面腳掌迎流面半徑為25 mm，背流面半徑為22 mm，厚2 mm;矩形截面腳掌半徑為25 mm，厚2 mm。

設定水流為無旋、非粘性、不可壓縮的流體，并以0.9 m/s的速度流向機器人腳掌，建立z-0剖面處腳掌的數(shù)學模型，采用i個直線面元對剖面邊界進行面元劃分，如圖1所示，其中v∞為無窮遠處來流的速度，ni為物面法向向量，βi為法向量與x軸夾角。腳掌剖面面元劃分的相關數(shù)據(jù)如表1所示，其中（xi，M）為各面元控制點，即各面元中點的坐標。

采用以上方法對z=±7 mm、z=±15 mm、z=±21.35 mm腳掌剖面邊界進行面元劃分和分析計算，得到腳掌在不同剖面處的速度曲線圖和壓力系數(shù)曲線圖，分別如圖2、圖3所示。

通過對比兩種不同剖面形狀腳掌的速度曲線和壓力系數(shù)曲線，矩形剖面腳掌所產(chǎn)生的升力大于梯形剖面腳掌所產(chǎn)生的升力，因機器人單個腳掌所產(chǎn)生的升力必須大于機器人的總重，這樣才能保證機器人在水面行走時不會沉入水中，故選擇矩形剖面腳掌作為機器人腳掌。

2 結論

本文在對蛇怪蜥蜴運動機理進行分析的基礎上，運用面元法對矩形剖面腳掌和梯形剖面腳掌進行分析計算，得到兩種不同形狀腳掌表面的速度曲線和壓力系數(shù)曲線，通過對比可知矩形剖面腳掌所產(chǎn)生的升力較大，有利于支撐機器人在水面行走，因此選擇矩形剖面腳掌作為機器人腳掌。

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