水陸兩棲龜型載重機(jī)器人

摘 要：針對(duì)陸地仿生機(jī)器人無(wú)法下水、水面作業(yè)機(jī)器人無(wú)法上岸的痛點(diǎn)，以及常見的球形兩棲機(jī)器人在陸地載重運(yùn)輸時(shí)，無(wú)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(jī)器人的設(shè)計(jì)。對(duì)“龜背”展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，展開“龜背”后形成載物平臺(tái)，在提供浮力的同時(shí)提升水面負(fù)載能力。“龜背”裝置利用水面的浮力、上下臂以及外推桿實(shí)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(jiǎn)單的合頁(yè)原理，提高機(jī)器人在水中的靈活性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)計(jì)算證明，“龜背”載重可達(dá)自身重量的5倍，“龜腿”可在僅靠舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式下提高劃行效率。并利用ESP8266 WiFi串口模塊和ESP8266 Web Server庫(kù)搭建網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)進(jìn)行設(shè)備控制。

關(guān)鍵詞：水陸兩棲；仿生機(jī)器人；折疊開合機(jī)構(gòu)；四足機(jī)器人；載重機(jī)器人； 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

近年來(lái)，各種類型的機(jī)器人得到廣泛關(guān)注。有采用腿足式、履帶-漿式、輪漿式的仿生機(jī)器人[1-3]，有以蜥蜴為仿生原型的Kim[4]六足機(jī)器人，有基于多關(guān)節(jié)變形鰭設(shè)計(jì)的AmphiHex-I機(jī)器人[5]和以分體式機(jī)體的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩棲環(huán)境游走的游走式機(jī)器人[6]，還有兩棲球形機(jī)器人[7]。這些機(jī)器人通過(guò)模仿某一種兩棲生物來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，兩棲環(huán)境適應(yīng)程度有限[8]。本項(xiàng)目借鑒生物龜?shù)纳眢w結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了一款具有高負(fù)載性、多變形性等特點(diǎn)的兩棲仿生龜形態(tài)機(jī)器人。針對(duì)當(dāng)前陸地仿生機(jī)器人無(wú)法下水、水面作業(yè)機(jī)器人無(wú)法上岸以及現(xiàn)階段兩棲仿生機(jī)器人作業(yè)能力不強(qiáng)的痛點(diǎn)，以傳統(tǒng)四足機(jī)器人為基礎(chǔ)載體，對(duì)其“背部”和“腿部”重新設(shè)計(jì)，提高其靈活性、續(xù)航能力、水陸全能能力、水面運(yùn)載能力。

本項(xiàng)目是對(duì)提高水陸兩棲機(jī)器人實(shí)用性的探索，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 “龜背”展開機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)可展開、收縮自由轉(zhuǎn)換的龜背裝置，展開后的龜背裝置像翻過(guò)來(lái)的龜殼，展開后的面積為原來(lái)的四倍，增大了機(jī)器人的浮力和水面負(fù)載能力，容載空間較大，在水面上運(yùn)載時(shí)負(fù)載可達(dá)到自身重量的5倍。

“龜背”的展開機(jī)構(gòu)主要是旋轉(zhuǎn)拓展和折疊打開兩種聯(lián)動(dòng)開合機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)中包括基準(zhǔn)板、滑塊、內(nèi)推桿、旋轉(zhuǎn)圓盤組成的旋轉(zhuǎn)拓展機(jī)構(gòu)以及外推桿和外臂組成的折疊開合機(jī)構(gòu)，如圖1所示。滑塊固定在滑桿上，由舵機(jī)給旋轉(zhuǎn)圓盤提供旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，帶動(dòng)內(nèi)推桿推動(dòng)滑塊，從而推動(dòng)外推桿帶動(dòng)外臂實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)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(guān)，圖2和圖3所示分別為“龜背”的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖和坐標(biāo)圖。以大舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)，此機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)拓展機(jī)構(gòu)和折疊開合機(jī)構(gòu)組成。由SolidWorks測(cè)量可得旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸距離舵機(jī)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(diǎn)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(tái)的旋轉(zhuǎn)軸為C（xc， yc），設(shè)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為θ，“龜背”展開的體積為V。通過(guò)計(jì)算

可得：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

得到外臂的頂點(diǎn)后對(duì)外臂與坐標(biāo)軸圍成的面積進(jìn)行旋轉(zhuǎn)積分，可得外臂展開體積的近似函數(shù)，設(shè)積分變量為x，y，則外臂在坐標(biāo)系里的直線表達(dá)式為：

（6）

（7）

通過(guò)在MATLAB中運(yùn)算后得到舵機(jī)從0°到90°時(shí)“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(dá)7.06×106 mm3。通過(guò)SolidWorks計(jì)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(dá)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(shí)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(yùn)行時(shí)，水面的推力對(duì)外臂有一個(gè)朝向圓盤的斜向上的力，當(dāng)圓盤不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，僅靠外推桿的作用，內(nèi)推桿不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即滑塊相對(duì)于滑桿不能滑動(dòng)，使得水面的推力無(wú)法將展開狀態(tài)的“龜背”裝置收縮，實(shí)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(fù)重過(guò)重時(shí)，水面的推力將展開的“龜背”裝置推回去，導(dǎo)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(yè)的實(shí)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(yùn)動(dòng)的“絕壁薄板”[9]，由此推導(dǎo)出烏龜在水下的推力計(jì)算公式。“絕壁薄板”的運(yùn)動(dòng)受力分析如圖6所示。圖7所示為合頁(yè)擋板的尺寸。

舵機(jī)旋轉(zhuǎn)軸到合頁(yè)對(duì)稱軸的距離R=99.52 mm，V為合頁(yè)運(yùn)動(dòng)速度（即擋板的圓周切向速度），由舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度決定，則合頁(yè)的運(yùn)動(dòng)速度為：

（13）

當(dāng)合頁(yè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算公式[10]，合頁(yè)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(dāng)t=4 ℃時(shí)，ρ=1 000 kg/m3；A為合頁(yè)的迎水工作面積（m2）；V為合頁(yè)的運(yùn)動(dòng)速度（m/s）。

當(dāng)“龜腿”向后擺動(dòng)時(shí)，由于合頁(yè)受到自身重力的影響會(huì)下垂，水流反向推動(dòng)合頁(yè)時(shí)，合頁(yè)被限位，因此此時(shí)“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(dāng)烏龜向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，四條腿同時(shí)向后擺動(dòng)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(dāng)“龜腿”向前擺動(dòng)時(shí)，由于水對(duì)合頁(yè)有推力，合頁(yè)沒(méi)有被限位因此合頁(yè)打開，處于近似平行位置，此時(shí)“龜腿”的工作面積為合頁(yè)頂端的橫截面：

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

當(dāng)烏龜四條腿同時(shí)向前擺動(dòng)時(shí)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(jìn)。

“龜腿機(jī)構(gòu)”采用簡(jiǎn)單的合頁(yè)原理。在水面上劃行時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)僅靠舵機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制設(shè)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(kù)搭建網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，通過(guò)TCP協(xié)議通信，運(yùn)用Station工作模式和透?jìng)鞴δ?，使用手機(jī)登錄瀏覽器進(jìn)行相應(yīng)操作，包括步態(tài)運(yùn)動(dòng)、龜背裝置的展開與收縮、水中擺動(dòng)、水中轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)見表3所列。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種具有載重功能的水陸兩棲機(jī)器人。對(duì)其背部進(jìn)行變形設(shè)計(jì)，能提供原先體積4倍的穩(wěn)定的載物平臺(tái)。通過(guò)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)折疊變形，改變自身體積的同時(shí)為水面漂浮提供浮力。經(jīng)計(jì)算得出機(jī)器人可負(fù)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(jī)構(gòu)實(shí)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(kù)搭建網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)進(jìn)行設(shè)備控制。

參考文獻(xiàn)

[1]王旭東.兩棲機(jī)器人彈性腿運(yùn)動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2015.

[2]熊良錦.履帶——槳式水陸兩棲機(jī)器人自主決策及控制方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2021.

[3]王董測(cè).輪槳式兩棲機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)性能研究[D].上海海洋大學(xué)，2018.

[4] XING H M，GUO S X，SHI L W，et al. Kalman filterbased navigation system for the amphibious spherical robot [C]// IEEE Inter-national Conference on Mechatronics and Automation. Piscataway，USA：IEEE，2017： 638-643.

[5] HOU X H，GUO S X，SHI L W，et al. Improved model predictive-based underwater trajectory tracking control for the biomimetic spherical robot under constraints [J]. Applied sciences，2020，10（22）.

[6] DUDEK G，GIGUERE P，PRAHACS C，et al. AQUA：An amphibious autonomous robot [J]. Computer，2007，40（1）：

46-53.

[7]遲興，戰(zhàn)強(qiáng).水陸兩棲球形機(jī)器人輔助鰭的水動(dòng)力特性[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，52（5）：1456-1464.

[8]殷謙，王何，宋震，等.兩棲仿生機(jī)器人登陸自適應(yīng)越障機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，45（1）：208-214.

[9]姬長(zhǎng)英，潘君拯.水田鏈槳式驅(qū)動(dòng)裝置推力計(jì)算[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1994，10（4）：37-43.

[10]忻鼎亮，席德胤.船槳的設(shè)計(jì)及其力學(xué)原理[J].體育科研，1988，29（10）：34-37.