一種水下足式機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案研究

李芳野，陳鍇迪，高 飛，張海波，佘麗佳，許 暉，徐 昕

（1.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109；2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072）

0 引言

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)自然資源的需求不斷增加，在近幾百年的發(fā)展過程中，陸地不可再生資源已逐漸走向枯竭。然而，人類發(fā)現(xiàn)海洋資源極其豐富，海洋底部除了用于數(shù)量龐大的石油、天然氣、煤礦等資源外，甚至還儲(chǔ)藏有大量的可燃冰［1］。因此，合理開發(fā)利用海洋資源，將極大地緩解人類目前所面臨的能源短缺問題。

由于受到海洋縱深、海洋環(huán)境和海洋地理緯度的影響，人類直接對(duì)海洋的探索和綜合觀測(cè)的能力受到極大的限制。國(guó)外海洋學(xué)家提出了無人自主遙感平臺(tái)的概念，使其成為探索與開發(fā)海洋自然資源的重要工具［2］。科學(xué)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，涌現(xiàn)了眾多類型的水下機(jī)器人。水下機(jī)器人的蓬勃發(fā)展，一方面克服了由于人類生理因素造成的對(duì)浩瀚海洋的恐懼，另一方面為探測(cè)與開發(fā)海洋自然資源帶來了極大的便利。

但是由于海底流體情況相對(duì)復(fù)雜，一般會(huì)給常規(guī)水下航行器的運(yùn)動(dòng)控制帶來巨大的挑戰(zhàn)［3］。因此通常要求航行器控制系統(tǒng)具有良好的魯棒性，一方面航行器需要克服水下亂流對(duì)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)的影響，另一方面有些作業(yè)機(jī)器人還需要克服機(jī)械臂工作時(shí)對(duì)機(jī)身相對(duì)靜止姿態(tài)的影響。因此，為更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)海底資源的探測(cè)與開發(fā)，突破復(fù)雜地理環(huán)境對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的限制，混合型水下機(jī)器人將成為更優(yōu)的選擇。

目前常見的混合型水下機(jī)器人一般以無人潛水器（ROV，remote operated vehicle）為載體，并搭載履帶以實(shí)現(xiàn)對(duì)水底地面的通過性?？茖W(xué)界對(duì)傳統(tǒng)的ROV 和履帶式水下機(jī)器人的研究已經(jīng)足夠深入，并且這種機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)足夠成熟。因此出于科學(xué)研究的目的，本文提出一款新概念混合型水下機(jī)器人［4-11］。

2018年，由Roque Saltaren等人研發(fā)了一款混合型水下機(jī)器人，該機(jī)器人以猿猴為仿生對(duì)象［12］。機(jī)器人用24個(gè)自由度的液壓機(jī)構(gòu)為各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)提供驅(qū)動(dòng)力，并且搭載了8臺(tái)水下推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)水下的游動(dòng)。該機(jī)器人可以像ROV一樣在水中自由移動(dòng)，也可以像猿猴一樣，在水底以兩足姿態(tài)走動(dòng)。2013年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)以AQUA 水下機(jī)器人為基礎(chǔ)，研究出了一款基于五連桿機(jī)構(gòu)的可變性鰭-腿兩棲機(jī)器人［13］。機(jī)器人的可變性鰭-腿機(jī)構(gòu)通過關(guān)節(jié)處牽引繩的松弛與拉緊，實(shí)現(xiàn)了鰭、腿狀態(tài)之間的相互切換。在陸地行走時(shí)，通過拉緊繩索，鰭-腿機(jī)構(gòu)變成半圓形的腿，可以實(shí)現(xiàn)在陸地上的行走與奔跑；在水下游泳時(shí)，將鰭內(nèi)的張緊繩放松，鰭-腿機(jī)構(gòu)變成一條柔性的鰭，通過柔性鰭的劃水運(yùn)動(dòng)，來獲得對(duì)機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)力。

為克服傳統(tǒng)遙控?zé)o人潛水器的局限性，本文設(shè)計(jì)了一種基于傳統(tǒng)ROV 的水下六足機(jī)器人，使其既具備水下航行器水下巡游的特點(diǎn)，又兼具陸地足式機(jī)器人地面行走的特點(diǎn)。當(dāng)水下足式機(jī)器人處于巡游狀態(tài)時(shí)，一方面可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)ROV 的前進(jìn)后退、橫移和上浮下潛等運(yùn)動(dòng)，另一方面可實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航、橫滾等動(dòng)作；當(dāng)其在水底行走時(shí)，它又具備足式機(jī)器人的高穩(wěn)定性、高通過性、強(qiáng)適應(yīng)性等特點(diǎn)。機(jī)器人在水底執(zhí)行任務(wù)時(shí)，可以用腿支撐機(jī)器人的本體，以減弱水底亂流對(duì)機(jī)器人姿態(tài)的穩(wěn)定性造成影響［14-15］。

這種水下足式機(jī)器人可以滿足水下探測(cè)與作業(yè)需求的同時(shí)，也可以應(yīng)用于國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域，比如深海偵察、水雷排爆、艦船底部檢查等軍事領(lǐng)域。本文針對(duì)該水下六足機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的總體設(shè)計(jì)，為未來研究工作奠定基礎(chǔ)。后續(xù)將針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求設(shè)計(jì)了幾種行走步態(tài)，并利用仿生學(xué)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)水下六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)的穩(wěn)定控制與平滑轉(zhuǎn)換。這對(duì)于研究此類水下足式機(jī)器人的實(shí)用功能，和完善多足機(jī)器人的控制算法有實(shí)際的應(yīng)用意義［16-17］。

1 水下六足機(jī)器人總體設(shè)計(jì)分析

以水下六足機(jī)器人作為研究對(duì)象，機(jī)器人由不同模塊組成，并具備水下探測(cè)能力。機(jī)器人通過線纜進(jìn)行供電，利用網(wǎng)線與岸基計(jì)算機(jī)通信。該水下六足機(jī)器人除了具備傳統(tǒng)ROV 的水下巡游功能外，還需具備在水下行走的能力（僅考慮硬質(zhì)地面），并根據(jù)特定工作環(huán)境的需要，可以在不同步態(tài)模式之間進(jìn)行切換。

1.1 功能要求

在研究國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水下機(jī)器人所具備的性能基礎(chǔ)上，提出了該水下六足機(jī)器人應(yīng)具備的以下基本功能：

1）水下六足機(jī)器人具備傳統(tǒng)ROV 的巡游功能，能夠完成六個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)，包括上浮下潛、前進(jìn)后退、橫移、偏航、俯仰和橫滾運(yùn)動(dòng)。

2）水下六足機(jī)器人在水底作業(yè)時(shí)，能夠在水底行走，同時(shí)具備多個(gè)行走步態(tài)和各個(gè)步態(tài)之間平滑切換的能力。

3）水下六足機(jī)器人利用自身傳感器能與控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互，向上位機(jī)實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像，并將機(jī)器人的深度、高度、姿態(tài)和關(guān)節(jié)角度等數(shù)據(jù)信息保存到上位機(jī)。

1.2 主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

該水下六足機(jī)器人的主要參數(shù)如表1所示，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。其中，機(jī)身尺寸為機(jī)器人軀體的尺寸，整體尺寸為機(jī)器人整體的尺寸。

表1 水下六足機(jī)器人主要參數(shù)

表2 水下六足機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)

2 水下六足機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程中，通常把水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式分成兩類：封閉式和框架式。框架式結(jié)構(gòu)對(duì)總體設(shè)計(jì)要求較低，制作成本低，且具備較高的功能擴(kuò)展性，但流線型較差，通常使用在低速水下機(jī)器人。本文所研究的水下六足機(jī)器人航行速度（水下巡游和水底行走）要求較低（最大航速約為2kN，可認(rèn)為是低速運(yùn)行），對(duì)功能擴(kuò)展性要求較高，故采用框架式結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)方便拆裝、檢修和設(shè)備安裝。

2.1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1（a）所示，為該水下六足機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)模型。機(jī)器人整體采用框架式結(jié)構(gòu)，搭載8臺(tái)BlueROV-T200推進(jìn)器，其中4臺(tái)推進(jìn)器呈水平斜對(duì)角放置，用以提供機(jī)器人在水下巡游時(shí)水平方向的推力；4臺(tái)推進(jìn)器為垂直方向布置，一方面用以提供機(jī)器人在水下巡游時(shí)豎直方向上的推力，另一方面用以提供機(jī)器人在水底行走時(shí)的下壓力。在機(jī)器人的兩側(cè)，分別裝備了3條C 型腿和3臺(tái)腿部驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖1 水下六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

水下六足機(jī)器人的主要組成部分包括推進(jìn)器、浮力材料、C型腿模塊、控制艙（包括主控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和部分傳感器等）、電源艙和機(jī)身。結(jié)構(gòu)布局如圖1（b）所示。

各模塊在水下六足機(jī)器人系統(tǒng)中起到如下作用：

1）機(jī)身：作為水下六足機(jī)器人的軀干結(jié)構(gòu)，安裝并且保護(hù)了機(jī)器人系統(tǒng)的零部件；

2）C型腿模塊：當(dāng)水下六足機(jī)器人在水底行走過程中，起到支持和驅(qū)動(dòng)水下六足機(jī)器人前進(jìn)的作用；

3）浮力材料：機(jī)器人安裝浮力材料，用以給機(jī)器人提供浮力補(bǔ)償，使機(jī)器人整體在水中呈現(xiàn)零浮力狀態(tài)；

4）控制艙：提供水下密封環(huán)境，保證內(nèi)部電子元器件的正常運(yùn)行。其中控制艙內(nèi)部的主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)腿部電機(jī)的動(dòng)力輸出，傳感器負(fù)責(zé)獲取機(jī)器人自身的姿態(tài)和水下周圍環(huán)境信息；

5）電源艙：對(duì)300V 直流電進(jìn)行變壓，并向機(jī)器人各模塊提供24V 和12V 的直流電；

6）推進(jìn)器：向水下六足機(jī)器人提供巡游時(shí)的動(dòng)力和水底行走過程中的下壓力。

2.2 機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)水下六足機(jī)器人的動(dòng)平衡性，以及降低機(jī)器人的機(jī)械加工成本，本文為機(jī)器人腿部所設(shè)計(jì)的C 型腿、電機(jī)與減速器、套筒、O 形圈、旋轉(zhuǎn)變壓器、軸承、驅(qū)動(dòng)器以及其他緊固件均采用相同的設(shè)計(jì)，C 型腿結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 C型腿結(jié)構(gòu)圖

本文初步選用彈性較好的65 Mn鋼材來加工水下六足機(jī)器人的C型腿，用以吸收機(jī)器人的腿落地時(shí)瞬間產(chǎn)生的沖擊，保證機(jī)器人在行進(jìn)過程中機(jī)身的穩(wěn)定性。由于直流無刷電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩優(yōu)異、過載能力強(qiáng)、啟動(dòng)扭矩大、啟動(dòng)電流小、可靠性高、體積小等特點(diǎn)，因此選用直流無刷電機(jī)為機(jī)器人的C 型腿提供驅(qū)動(dòng)力矩。為了精確控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，需要獲取機(jī)器人腿部的準(zhǔn)確的角度，因此選用旋轉(zhuǎn)變壓器作為腿部角度傳感器。為了保證機(jī)器人腿部能在水下正常的工作，需要對(duì)腿部驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)板等電子元器件進(jìn)行密封處理，故采用套筒對(duì)其進(jìn)行水下環(huán)境的密封保護(hù)。

根據(jù)本文的設(shè)計(jì)指標(biāo)，當(dāng)水下六足機(jī)器人在水底行走時(shí)四臺(tái)垂直布置的推進(jìn)器共需要產(chǎn)生80N 的垂向力，因此要求機(jī)器人腿部材料具有一定的剛性。由于機(jī)器人在行走過程中腿部與地面的接觸是非連續(xù)的，腿部由擺動(dòng)到落地的瞬間會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊。為了降低沖擊力對(duì)機(jī)器人的影響，并增強(qiáng)機(jī)器人行走時(shí)的平衡性，因此腿部材料需要具備一定的彈性。

本文設(shè)計(jì)的水下六足機(jī)器人可認(rèn)為是零浮力，即機(jī)器人所受到的浮力與自身重力平衡。因此，當(dāng)機(jī)器人在水下行走時(shí)，C型腿所受到的載荷均由四臺(tái)垂直布置的推進(jìn)器產(chǎn)生。根據(jù)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析可知，當(dāng)C 型腿處于直立狀態(tài)時(shí)，單條腿所受到的靜載荷最大，約為40N，此時(shí)C型腿所產(chǎn)生的形變量最大。根據(jù)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)C 型腿的直徑為170 mm，寬度為20 mm。利用ANSYS分析不同厚度的C型腿在此工況下所產(chǎn)生的形變與應(yīng)力，仿真分析結(jié)果如圖3所示。具體ANSYS仿真結(jié)果如表3所示。

圖3 不同厚度下厚度C型腿的形變與應(yīng)力分析

表3 不同厚度下的C型腿形變與應(yīng)力分析結(jié)果

根據(jù)以上仿真結(jié)果和表格數(shù)據(jù)可知，在該工況下，三種厚度的C型腿最大形變量和最大應(yīng)力均滿足65 MN 彈簧鋼材料屬性的極限要求。同時(shí)，考慮到該水下六足機(jī)器人的四臺(tái)垂直推進(jìn)器可產(chǎn)生的最大合力為200N，且在特殊情況下會(huì)適當(dāng)增加推進(jìn)器的推力。為了避免達(dá)到材料的屈服極限，故本文采取厚度為3.5mm 的C型腿。

水下六足機(jī)器人在水底行走的過程中，腿部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩一部分用以克服C 型腿在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的流體阻力，另一部分用以克服C型腿與地面接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。當(dāng)C型腿接觸地面時(shí)，這兩種力會(huì)產(chǎn)生耦合，此時(shí)分析腿部電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力矩會(huì)比較困難。故本文將其解耦，分別進(jìn)行仿真分析。

為計(jì)算C型腿在水中以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩，本文使用FLUENT 軟件，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法（CFD，computational fluid dynamics）對(duì)C 型腿進(jìn)行數(shù)值模擬［20-24］。整個(gè)流場(chǎng)的計(jì)算流域網(wǎng)格如圖4所示，C型腿網(wǎng)格如圖5所示。整體流域的網(wǎng)格數(shù)量約為90萬，網(wǎng)格質(zhì)量約為0.31；C型腿的面網(wǎng)格數(shù)量約為6 300，網(wǎng)格質(zhì)量約為0.27。

圖4 整體流域與網(wǎng)格質(zhì)量

圖5 C型腿面網(wǎng)格

經(jīng)CFD數(shù)值計(jì)算，得到不同速度下的數(shù)值模擬結(jié)果，如圖6～9所示。

圖6 1r／s時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果

圖7 2r／s時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果

圖8 3r／s時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果

圖9 4r／s時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果

具體FLUENT 仿真結(jié)果如表4所示。

表4 不同轉(zhuǎn)速下C型腿受到的流體阻力

利用MATLAB將表4內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合所得曲線如圖10所示，并得到C型腿轉(zhuǎn)速與流體阻力關(guān)系方程，

圖10 轉(zhuǎn)速與流體阻力關(guān)系曲線

式中，Mx為流體阻力矩（N·mm），ω為轉(zhuǎn)速（r／s）。

由式（1）可知，C型腿轉(zhuǎn)速與流體阻力關(guān)系方程為二次函數(shù)。因此，可根據(jù)此關(guān)系式推算C 型腿以某速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，腿部電機(jī)所需要提供的驅(qū)動(dòng)力矩。

根據(jù)機(jī)器人的受力分析結(jié)論可知，當(dāng)機(jī)器人以三足支撐狀態(tài)（即三角步態(tài)）行走時(shí)，腿部電機(jī)所需要提供的驅(qū)動(dòng)力矩最大。為獲取驅(qū)動(dòng)力矩的數(shù)值，本文用Adams軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，導(dǎo)入機(jī)器人三維模型的Parasolid文件，并設(shè)置好相應(yīng)的阻力參數(shù)、材料屬性、碰撞系數(shù)等參數(shù)，所得仿真結(jié)果如圖10與圖11所示。

圖11 水下機(jī)器人C型腿驅(qū)動(dòng)力矩分析

當(dāng)機(jī)器人以三角步態(tài)行走時(shí)，前后腿所需要的驅(qū)動(dòng)力矩如圖10所示。0～1.5s期間，為機(jī)器人由初始位置向三角步態(tài)調(diào)整的階段，在此階段腿部落地瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，因此電機(jī)需要提供較大的瞬時(shí)扭矩，約為6 100N·mm。1.5～6s為機(jī)器人三角步態(tài)行走階段，此階段C 型腿落地瞬間電機(jī)同樣需要輸出約為的瞬時(shí)扭矩2 500N·mm。當(dāng)腿落地穩(wěn)定后并與地面產(chǎn)生滾動(dòng)接觸時(shí)，電機(jī)需要提供約310N·mm 的驅(qū)動(dòng)力矩。

當(dāng)機(jī)器人以三角步態(tài)行走時(shí)，中間腿所需要的驅(qū)動(dòng)力矩如圖11所示。0～1.5s期間，為機(jī)器人由初始位置向三角步態(tài)調(diào)整的階段，在此階段腿部落地瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，因此電機(jī)需要提供較大的瞬時(shí)扭矩，約為5 500N·mm。1.5～6s為機(jī)器人三角步態(tài)行走階段，此階段C 型腿落地瞬間電機(jī)同樣需要輸出約為的瞬時(shí)扭矩2 000N·mm。當(dāng)腿落地穩(wěn)定后并與地面產(chǎn)生滾動(dòng)接觸時(shí)，電機(jī)需要提供約580N·mm 的驅(qū)動(dòng)力矩。

水下六足機(jī)器人的電機(jī)選型所面臨的問題與其他類型機(jī)器人電機(jī)選型面臨的問題不同。首先，電機(jī)和減速器組合的使用工況是一個(gè)運(yùn)行速度非常大的區(qū)間。例如當(dāng)機(jī)器人攀爬臺(tái)階或跨越障礙物時(shí)，機(jī)器人腿部需要低速轉(zhuǎn)動(dòng)以產(chǎn)生較大的扭矩；當(dāng)機(jī)器人高速奔跑或以較高的占空比行走時(shí)，機(jī)器人腿部需要電機(jī)提供一般大小的扭矩來產(chǎn)生較高的轉(zhuǎn)速。而在一些其他電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)以空載扭矩和空載轉(zhuǎn)速運(yùn)行的案例很少。

綜合考慮機(jī)器人C 型腿在水下旋轉(zhuǎn)和行走所需要的驅(qū)動(dòng)力矩大小，以及C 型腿轉(zhuǎn)動(dòng)的速度區(qū)間，因此本文選用maxon EC 45flat作為機(jī)器人腿部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該電機(jī)具有體積小、輸出扭矩大、使用壽命長(zhǎng)和耐沖擊等優(yōu)勢(shì)，搭配使用GP 42C行星齒輪減速箱，可實(shí)現(xiàn)C 型腿在較大運(yùn)行速度區(qū)間內(nèi)工作。電機(jī)及減速器參數(shù)如表5～6所示。

表5 maxon EC 45flat電機(jī)參數(shù)表

表6 GP 42C行星齒輪減速器參數(shù)表

最終，水下六足機(jī)器人的C型腿結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 C型腿總裝結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物裝配圖

2.3 機(jī)器人腿部密封設(shè)計(jì)

為保證機(jī)器人腿部可以在水下正常、安全、穩(wěn)定的工作，需要對(duì)腿部關(guān)鍵部位進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。C型腿電機(jī)的密封設(shè)計(jì)如圖13所示。

圖13 C型腿電機(jī)密封設(shè)計(jì)

密封分為靜密封和動(dòng)密封，其中電機(jī)套筒端蓋處、電機(jī)套筒與旋變套筒連接處均采用靜密封，輸出軸采用動(dòng)密封。為表示O 形圈的壓縮程度，定義壓縮比例ε，一般取ε＝15～25%［18-19］，壓縮比的表達(dá)式為：

式中，d0為O 形密封圈的截面直徑（mm）；h為O 形密封圈溝槽深度（mm）。

O 形密封圈溝槽的設(shè)計(jì)深度h和寬度b［19］計(jì)算公式為：

式中，β為密封圈溝槽的寬度系數(shù)，本文取β＝1.3，ε靜＝20%，ε動(dòng)＝13%。

本文設(shè)計(jì)水下六足機(jī)器人最大工作水深為100m，其最大壓強(qiáng)約為0.98MPa。通常情況，當(dāng)工作壓強(qiáng)p＜10 MPa時(shí)，靜密封和動(dòng)密封都不需要設(shè)置擋圈。根據(jù)第六版 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，兩處?kù)o密封分別選用69×2.65-GB／T 3465.1-2005O 形橡膠密封圈和51.5×2.65-GB／T 3465.1-2005O 形橡膠密封圈。根據(jù)式、便可計(jì)算得到溝槽尺寸。

為了防止液體沿著輸出軸進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，通常采用兩個(gè)O 形圈徑向布置的方式進(jìn)行動(dòng)密封設(shè)計(jì)。但是這種設(shè)計(jì)一方面會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力，降低電機(jī)的傳動(dòng)效率；另一方面，這種密封方式耐磨性差，從而降低動(dòng)密封系統(tǒng)的使用壽命。本文采用C形滑環(huán)式組合密封，其具有摩擦力小、耐磨性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，以此提高動(dòng)密封性能。

3 水下六足機(jī)器人控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)水下六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵問題是如何選配合理的機(jī)器人硬件系統(tǒng)和如何搭建合理的軟件系統(tǒng)［20-21］?？刂葡到y(tǒng)是機(jī)器人的核心組成部分，它起到的作用是接收外部控制命令和環(huán)境反饋信息，并讓機(jī)器人準(zhǔn)確且迅速地運(yùn)動(dòng)并完成規(guī)定的動(dòng)作任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)包含了執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)的微控制器、實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作的伺服控制系統(tǒng)以及獲取機(jī)器人姿態(tài)與位置信息和周圍環(huán)境信息的傳感器等。由于控制系統(tǒng)是一個(gè)龐大的信息處理系統(tǒng)，因此搭建一個(gè)實(shí)時(shí)性好、效率高的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)本文水下六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制具有重大作用。

3.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求

考慮到水下六足機(jī)器人是本文的被控對(duì)象，并具有多個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)。因此控制該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)需要協(xié)同各個(gè)關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系，才能使得機(jī)器人在行進(jìn)過程中姿態(tài)更加穩(wěn)定。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式具有復(fù)雜性，因此對(duì)于控制系統(tǒng)提出以下要求：

1）關(guān)節(jié)角度的精確性。本文采用角度控制，因此為實(shí)現(xiàn)更協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，腿部電機(jī)輸出軸需有靈敏的位置信息傳感器以實(shí)現(xiàn)較高的控制精度。

2）關(guān)節(jié)具有較大的轉(zhuǎn)速區(qū)間。由于機(jī)器人需要具有低負(fù)載高速奔跑和高負(fù)載低速行走的能力，因此機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)需要具備較大的調(diào)速范圍。

3）關(guān)節(jié)角度之間的協(xié)同。機(jī)器人具有6個(gè)腿部關(guān)節(jié)，各個(gè)關(guān)節(jié)角度之間配合的協(xié)同性，決定了機(jī)器人行走姿態(tài)的穩(wěn)定性。

3.2 控制系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)多數(shù)由大腦-神經(jīng)（脊髓）-肌肉耦聯(lián)系統(tǒng)所產(chǎn)生的，脊髓神經(jīng)發(fā)生節(jié)律性周期信號(hào)刺激肌肉發(fā)生節(jié)律性運(yùn)動(dòng)（如呼吸、心跳、行走等），大腦可對(duì)節(jié)律運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同程度上的干預(yù)［22-24］。利用仿生學(xué)原理，本文水下六足機(jī)器人的控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)采用分層遞階式智能控制系統(tǒng)，如圖14所示，按照功能可將其分為三個(gè)部分：組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)與執(zhí)行級(jí)，與動(dòng)物的大腦-神經(jīng)（脊髓）-肌肉系統(tǒng)相互對(duì)應(yīng)。其中結(jié)構(gòu)各層級(jí)功能如下：

圖14 水下六足機(jī)器人控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

組織級(jí)與動(dòng)物的高級(jí)中樞對(duì)應(yīng)，相當(dāng)于大腦，一方面能夠根據(jù)需求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，另一方面可以處理外部環(huán)境感知信息并對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，最終向協(xié)調(diào)級(jí)發(fā)布控制指令。本文水下六足機(jī)器人采用岸基PC機(jī)作為組織級(jí)，向水下六足機(jī)器人內(nèi)部的主控計(jì)算機(jī)（協(xié)調(diào)級(jí)）發(fā)布控制指令。

協(xié)調(diào)級(jí)與動(dòng)物的低級(jí)中樞對(duì)應(yīng)，相當(dāng)于脊髓內(nèi)部的中樞模式發(fā)生器，用以產(chǎn)生動(dòng)物的節(jié)律運(yùn)動(dòng)活動(dòng)，對(duì)底層執(zhí)行級(jí)進(jìn)行控制。本文采用Raspberry Pi作為節(jié)律運(yùn)動(dòng)發(fā)生控制器，基于CPG 運(yùn)動(dòng)控制算法并根據(jù)上層協(xié)調(diào)級(jí)指令和底層執(zhí)行級(jí)反饋信號(hào)生成水下六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)控制信號(hào)，并將該無量綱的控制信號(hào)映射到C 型腿的關(guān)節(jié)角度，根據(jù)角度信號(hào)值向腿部電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)布角度控制指令。

執(zhí)行級(jí)與動(dòng)物的效應(yīng)器對(duì)應(yīng)，相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)末梢所支配的肌肉，用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)活動(dòng)。在本文水下六足機(jī)器人中，執(zhí)行級(jí)主要包含電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

協(xié)調(diào)級(jí)是整個(gè)水下六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分，也是研究機(jī)器人步態(tài)控制的核心，包括水下六足機(jī)器人的步態(tài)生成、速度控制、方向控制和姿態(tài)調(diào)節(jié)等。

3.3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖15為水下六足機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包含的硬件有：主動(dòng)計(jì)算機(jī)、直流無刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、推進(jìn)器、攝像頭、照明燈以及各類傳感器。

圖15 水下六足機(jī)器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）主控計(jì)算機(jī)：本文選用Raspberry Pi作為水下六足機(jī)器人的主控計(jì)算機(jī)，其作用是接收頂層PC 機(jī)的控制指令、CPG 運(yùn)動(dòng)控制算法的解算、向電機(jī)發(fā)送角度控制指令和采集并處理傳感器信息等。該主控計(jì)算機(jī)搭載Quad core Cortex-A72（ARM v8）64-bit＠1.5GHz處理器，包含4個(gè)USB接口、1個(gè)千兆以太網(wǎng)接口、6路串口、40pin GPIO口，滿足機(jī)器人使用要求。運(yùn)行Ubuntu 18.04系統(tǒng)，使用Python編程語言實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)的控制。

2）直流無刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器：根據(jù)本文章節(jié)2.3.2所述，maxon EC 45flat直流無刷電機(jī)為水下六足機(jī)器人C型腿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，選用自制的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并搭配使用旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的閉環(huán)控制。

3）推進(jìn)器：為了提供水下六足機(jī)器人巡游時(shí)的動(dòng)力以及水底行走時(shí)的下壓力，本文選用BlueRobotics公司生產(chǎn)的T200推進(jìn)器。該推進(jìn)器供電電壓在7～12 V 之間，最大功率可達(dá)360 W，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)3 751rpm。在12V電源供電下，最大可以產(chǎn)生正向3.71kgf、反向2.92kgf的推力。

4）深度傳感器：為了獲取水下六足機(jī)器人在水中當(dāng)前工作的深度，需要搭載壓力傳感器，壓力傳感器的工作原理是測(cè)量當(dāng)前水的壓強(qiáng)，然后通過計(jì)算轉(zhuǎn)換成水深。本文選用MPM4730智能壓力變送器作為水下六足機(jī)器人的深度傳感器，該傳感器采用壓阻式壓力變送器技術(shù)，并結(jié)合數(shù)字化溫度補(bǔ)償和非線性修正技術(shù)，具有高精度（±0.15%）、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。其體積小、重量輕、量程大，符合本文機(jī)器人選型要求。

5）姿態(tài)傳感器：本文研究對(duì)象為水下六足機(jī)器人在水底行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)控制，因此獲取機(jī)器人的姿態(tài)信息可以判斷控制效果。HWT901B 姿態(tài)傳感器內(nèi)置10軸傳感器和RM3100模塊，模塊內(nèi)含高精度陀螺儀、地磁場(chǎng)傳感器和加速度計(jì)。為快速準(zhǔn)確求解機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，采用了先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算算法和卡爾曼濾波算法。該傳感器測(cè)量精度為0.05°，且穩(wěn)定性高，數(shù)據(jù)輸出頻率最高可達(dá)200Hz，滿足本文水下六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)水下六足機(jī)器人總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外水下足式仿生機(jī)器人的研究，開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)了一款水下六足機(jī)器人，使該機(jī)器人具備了ROV 的巡游功能和足式機(jī)器人的行走特點(diǎn)。該機(jī)器人采用了一種兼具車輪和節(jié)肢類腿特點(diǎn)的C 型腿，提升了機(jī)器人面對(duì)水下地面復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性和通過性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)C 型腿進(jìn)行強(qiáng)度分析和水下行走時(shí)的力矩分析，選定了彈性腿的材料和確定了腿部驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型。同時(shí)，設(shè)計(jì)了水下六足機(jī)器人的控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。