新型仿生球形兩棲子母機器人系統(tǒng)設(shè)計

劉羽婷，郭健，孫珊，陳翔宇，耿娜文，宋伯文，賴伊雯，郭書祥,3

（1. 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津 300384; 2. 天津理工大學 電氣電子工程學院，天津300384; 3. 日本香川大學 工學部，日本 高松 7610396）

隨著人類探索資源、開發(fā)資源、保護資源進 程的越發(fā)深入，更加需要能在復(fù)雜環(huán)境下靈活作業(yè)的機器人。兩棲機器人作為一種性能優(yōu)越的探索設(shè)備，得到了迅猛的發(fā)展。兩棲機器人具有工作環(huán)境適應(yīng)性強、活動范圍大、便于使用等諸多優(yōu)勢，且可以用于執(zhí)行環(huán)境探測、采集樣品等多種任務(wù)。所以，兩棲機器人的發(fā)展與研究在諸多領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景，并得到了世界各個國家研究團隊的深入研究。

2016年，北京理工大學研發(fā)了一款通過模仿青蛙來控制機器人運動的水陸兩棲蛙板機器人。它在水下和陸地上皆采用雙擺臂的運動形式。在陸地運動依靠萬向輪與地面的摩擦力提供推力，在水下通過擺動尾鰭產(chǎn)生推力。該機器人的運動方式靈活，同時搭載了多種傳感器，具有較強的實用性[1]。

瑞典Rotundus公司研發(fā)了一種名為Guard-Bot的球狀兩棲機器人，其攝像頭能夠保證360°觀測，機體能夠承載2 kg的物品。該機器人使用九軸穩(wěn)定系統(tǒng)，同時通過裝配于球形機器人里的擺錘以保持平衡，控制機體重心[2-4]。

2014年，中國科學技術(shù)大學研制了一款兩棲機器人，采用了復(fù)合推進結(jié)構(gòu)，并為機器人設(shè)計了獨特的弧形腿，增強了機器人對近陸地復(fù)雜地形和水下地理形態(tài)的適應(yīng)性。該機器人進行了推進性能測試，能夠?qū)崿F(xiàn)多種步態(tài)的兩棲行進[5-7]。

雖然兩棲機器人得到了迅猛的發(fā)展，但傳統(tǒng)的兩棲機器人仍然存在一些缺點：體積較大，工作時靈活性較低，環(huán)境適應(yīng)能力差，無法滿足狹窄空間探測的需求[8-10]；而體積較小的機器人續(xù)航能力較差，推動力較小[11-13]。本文設(shè)計了一種仿生球形兩棲子母機器人控制系統(tǒng)，不僅滿足可以在寬闊的環(huán)境下工作，并兼?zhèn)洫M窄地域作業(yè)的優(yōu)勢，同時球形兩棲母機器人提供大容量電源，提高了續(xù)航時間。該系統(tǒng)中，母機器人在陸地上四足爬行，在水中噴水推進；子機器人的驅(qū)動裝置為一種特殊的槳輪結(jié)構(gòu)，使其在陸地上通過車輪行進，在水中使用螺旋槳推進。上位機和母機器人采用XBee模塊進行無線通信，子機器人和母機器人之間采用有線連接，進行通信。

1 仿生球形兩棲子母機器人系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)簡介

球形兩棲子母機器人協(xié)同控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由上位機、球形兩棲母機器人及球形兩棲子機器人組成。球形兩棲母機器人上裝有XBee無線通信模塊，通過上位機軟件發(fā)送控制信號，對球形兩棲母機器人進行控制，同時可以通過母機器人將信號傳遞給子機器人，實現(xiàn)協(xié)同控制。

圖 1 球形兩棲子母機器人控制系統(tǒng)框圖Fig. 1 The block diagram of spherical amphibious motherson robot control system

1.2 球形兩棲子母機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

1)球形兩棲母機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

球形兩棲母機器人由上半球殼、底板、8個防水舵機、4個噴水電機組成。球形兩棲母機器人可以根據(jù)環(huán)境狀況的不同實現(xiàn)陸地和水下2種運動方式的切換，在陸地采用四足爬行的方式前進，在進入水下后，陸地上的四足轉(zhuǎn)變?yōu)閲娝姍C的4個噴水口，切換成矢量噴水的方式推進。球形兩棲母機器人的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 球形兩棲母機器人結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 The structure diagram of the spherical amphibious mother robot

球形兩棲母機器人的上球殼以及底板均是亞克力材質(zhì)，其厚度都是3 mm，上半球殼的直徑為370 mm，底板結(jié)構(gòu)直徑為370 mm。噴水電機使球形兩棲母機器人在水中實現(xiàn)前行、退后、正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)，其防水采用3D打印制成的防水外殼。球形兩棲母機器人底部的噴水電機整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖 3 球形兩棲母機器人噴水電機結(jié)構(gòu)Fig. 3 The structure diagram of water spray motor of the spherical amphibious mother robot

圖 5 球形兩棲子機器人釋放裝置硬件圖Fig. 5 The release device hardware diagram of the spherical amphibious son robot

1.3 球形兩棲子母機器人硬件電路設(shè)計

2)球形兩棲子機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

球形兩棲子機器人由球殼、底板和5個直流電機組成，如圖4所示。子機器人的球殼、底板及其密封零件都通過3D打印完成，并設(shè)計子機器人的槳葉輪，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，將車輪與三葉螺旋槳結(jié)合，使子機器人能夠?qū)崿F(xiàn)水下和陸地的兩棲運動。球形兩棲子機器人在陸地采用四輪推進，在水中則采用5個螺旋槳劃水推進。子機器人底部安裝有三葉螺旋槳，用于控制在水中的上浮下沉運動。

圖 4 球形兩棲子機器人及其車輪細節(jié)示意Fig. 4 The diagram of the spherical amphibious son robot and its wheel details

3)球形兩棲子機器人釋放裝置設(shè)計球形兩棲子機器人的釋放裝置是由驅(qū)動器、搭載平臺和固定裝置組成。釋放裝置安裝在球形兩棲母機器人的底部。驅(qū)動器采用電磁繼電器，如圖5所示，由母機器人控制，通過程序控制電磁繼電器內(nèi)銅柱的收縮。當子機器人未釋放時，驅(qū)動器處于伸張狀態(tài)，鎖定固定裝置，當釋放子機器人時，驅(qū)動器處于收縮狀態(tài)，解鎖固定裝置，完成球形兩棲子機器人的釋放。

1)球形兩棲子機器人釋放裝置設(shè)計

球形兩棲母機器人的硬件電路如圖6所示。球形兩棲母機器人采用AVR mega2560作為機器人系統(tǒng)的核心控制器，能夠通過輸出8路PWM信號控制8個伺服舵機旋轉(zhuǎn)角度和位置，處理XBee傳遞的信息，以及向球形兩棲子機器人發(fā)送控制信號。

圖 6 球形兩棲母機器人硬件電路Fig. 6 Design of spherical amphibious mother robot hardware

通信部分基于XBee無線通信模塊，將其與控制器連接起來，使控制部分和通信部分實現(xiàn)信息的傳遞。同時驅(qū)動部分利用2個L298N驅(qū)動器控制4個噴水推進器輸出推力大小，進而可以綜合地控制母機器人陸地和水下運動。

2)球形兩棲子機器人硬件電路設(shè)計

球形兩棲子機器人采用STC89C52作為機器人系統(tǒng)的核心控制器，采用5個LB1938驅(qū)動板作為機器人的驅(qū)動模塊?？刂破鱏TC89C52能夠通過輸出10路信號控制5個驅(qū)動模塊，控制直流電機的轉(zhuǎn)速，同時能夠接收并處理球形兩棲母機器人發(fā)送的控制信息，發(fā)送反饋信號。通過編寫相應(yīng)程序，利用轉(zhuǎn)速差異綜合控制子機器人兩棲環(huán)境下的行進速度與轉(zhuǎn)向運動。球形兩棲子機器人的硬件電路設(shè)計實物如圖7所示。

3)球形兩棲子母機器人的通信設(shè)計

球形兩棲子母機器人整體的控制系統(tǒng)框架如圖8所示。球形兩棲母機器人裝有XBee無線通信模塊，上位機向母機器人發(fā)送控制信號，母機器人接收信號并反饋，實現(xiàn)上位機和母機器人之間的無線通信。

圖 8 球形兩棲子母機器人控制系統(tǒng)框圖Fig. 8 The block diagram of spherical amphibious motherson robot control system

AVR mega2560與STC89C52之間采用點對點通信。當母機器人的通信模塊接收到控制信號之后，將其傳遞到母機器人的控制器，由控制器判斷執(zhí)行命令或?qū)⑿盘杺鬟f給子機器人的控制器，從而整體控制子母機器人執(zhí)行相應(yīng)的命令，滿足不同控制需求。

2 仿生球形兩棲子母機器人運動設(shè)計

本項目為球形兩棲母機器人和球形兩棲子機器人分別設(shè)計了不同的水陸運動方案。母機器人在陸地上采用四足爬行方式運動，在水中則采用噴水方式推進；子機器人在陸地上采用四輪推進，在水中則采用螺旋槳推水行進。基于該設(shè)計的球形兩棲子母機器人均具備兩棲作業(yè)能力。

圖 7 球形兩棲子機器人硬件電路圖Fig. 7 Design of spherical amphibious son robot hardware

2.1 球形兩棲母機器人運動方式設(shè)計

1)球形兩棲母機器人的陸上運動方式

球形兩棲母機器人在陸地上采用四足爬行方式運動，每條腿都具有垂直和水平兩個方向的自由度，由兩個伺服電機控制擺動方向，調(diào)整角度。母機器人的運動步態(tài)通過控制球形兩棲機器人四足擺動的順序控制。

球形兩棲機器人爬行步態(tài)的三維圖如圖9所示。圖中方向箭頭標注的部分表示機器人的腿處在擺動狀態(tài)，而沒有標注的部分表示機器人的腿處在支持狀態(tài)。由圖可見，機器人任何一周期內(nèi)都有3條腿處在支持狀態(tài)，另外一條腿處在擺動狀態(tài)。這種步態(tài)設(shè)計使機器人在爬行運動時，任意時刻的重心都處于機器人三條腿的區(qū)域內(nèi)，保證了機器人的穩(wěn)定性。

圖 9 球形兩棲母機器人爬行步態(tài)三維圖Fig. 9 The three-dimensional figure of the spherical amphibious mother robot crawling gait

2)球形兩棲母機器人的水下運動方式

球形兩棲機器人在水中采用矢量噴水方式推進。通過調(diào)節(jié)AVR單片機的PWM信號，可以實現(xiàn)對伺服電機旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)自由調(diào)整噴水推進器位置的功能。通過改變噴水推進器的輸入電壓值，調(diào)節(jié)噴水推力，從而實現(xiàn)球形兩棲母機器人在水中的前進后退、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和上浮下潛運動。

球形兩棲母機器人水下運動方式的三維結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖 10 球形兩棲母機器人水中運動的三維結(jié)構(gòu)Fig. 10 The thr ee-dimensional figur e of the spher ical amphibious mother r obot's movement in the water

2.2 球形兩棲子機器人運動方式設(shè)計

1)球形兩棲子機器人的陸上運動方式

球形兩棲子機器人在陸地上采用四輪滾動方式運動，其運動方式如圖11所示。每個車輪由一個直流電機控制，通過電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)對每個車輪的控制，實現(xiàn)子機器人的前進、后退運動。通過程序改變不同車輪的轉(zhuǎn)速，使車輪間產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，利用轉(zhuǎn)速差對子機器人的運動方向進行調(diào)整，實現(xiàn)子機器人左右轉(zhuǎn)向的功能。

圖 11 球形兩棲子機器人陸地運動方式圖Fig. 11 The figur e of the sp her ical amp hibious son r obot's movement in the land

2)球形兩棲子機器人的水下運動方式

球形兩棲子機器人的槳葉輪在水下時通過螺旋槳劃水產(chǎn)生驅(qū)動力，運動方式如圖12所示。水平方向上，由4個直流電機分別控制4個螺旋槳，通過調(diào)節(jié)單片機輸出的PWM波信號，使不同螺旋槳產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，從而通過程序控制機器人在水平方向的運動。同時，垂直方向上，在機器人底部安裝了一個三葉螺旋槳，由直流電機控制，故而可以通過編寫程序，調(diào)節(jié)底部的三葉螺旋槳的正反轉(zhuǎn)向及其轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)機器人的上浮和下沉。實現(xiàn)球形兩棲子機器人在水下的運動。

圖 12 球形兩棲子機器人水下運動方式Fig. 12 The figur e of the sp her ical amp hibious son robot's movement in the water

3 實驗和數(shù)據(jù)分析

3.1 球形兩棲子母機器陸地性能測試

1)球形兩棲母機器人的陸地測試

為了評價球形兩棲母機器人的陸地運動特性，本文分別在不同地形下做了實驗，包括瓷磚路、大理石路、磚地以及水泥路。這些地形的特征主要在于摩擦系數(shù)的不同。

實驗結(jié)果如圖13所示，球形兩棲母機器人在瓷磚地面上，在頻率為1.25 Hz時取得了最大速度7.6 cm/s。當母機器人的運動頻率小于1.25 Hz時，運動頻率增加，機器人的運動速度也增加。機器人的運動頻率大于1.25 Hz時，運動頻率增加，機器人的運動速度反而減少。

圖 13 球形兩棲母機器人陸地運動特性圖Fig. 13 The land movement character istic diagram of spherical amphibious mother robot

2)球形兩棲子機器人的陸地測試

為了評價球形兩棲子機器人的陸地運動特性，本文分別在不同摩擦系數(shù)的地形下做了實驗，包括瓷磚路、瀝青路以及磚地路面，并通過改變子機器人輸出信號的占空比測量子機器人運行一段距離所用的平均時間，計算出在不同占空比下的平均速度。

實驗結(jié)果如圖14所示，在沒有負載的情況下，球形兩棲子機器人在瓷磚地面上，最大速度71.4 cm/s，在瀝青路面上時運動速度最小，為16.1 cm/s。

圖 14 球形兩棲子機器人陸地運動特性圖Fig. 14 The land movement char acter istic diagr am of spherical amphibious son robot

由圖14的占空比與速度關(guān)系的實驗圖像可以看出，球形兩棲子機器人的路上運動速度與其輸出信號的占空比成正比。

3.2 球形兩棲子母機器人水下性能測試

為了測量子母機器人在水下的游動性能，本文在泳池內(nèi)進行了水下釋放實驗，如圖15所示。在游動實驗中測得球形兩棲母機器人水下前進運動速度與占空比關(guān)系如圖16所示。當噴水電機兩端的輸入電壓不斷變化時，球形兩棲母機器人的速度隨著輸入的電壓增大，速度會越來越快。由于電池經(jīng)過穩(wěn)壓電源輸出的最大電壓為7.4 V，故當噴水電機兩端輸入的電壓為7.4 V，球形母機器人水平前進的最大速度為9.6 cm/s。子機器人前進運動時速度與時間的關(guān)系如圖17所示，從圖中可以看出微型子機器人在游動時速度不斷增加，最大速度為13.3 cm/s。

圖 15 球形兩棲子母機器人水下釋放實驗Fig. 15 The underwater released test of spherical amphibious mother-son robot

圖 16 球形兩棲母機器人水下運動與占空比關(guān)系Fig. 16 The r elationship between movement speed of spherical amphibious mother robot

圖 17 球形兩棲子機器人水下運動速度與占空比關(guān)系Fig. 17 The r elationship between movement speed of spherical amphibious son robot

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種仿生球形兩棲子母機器人系統(tǒng)，系統(tǒng)中分別設(shè)計了球型兩棲母機器人和球形兩棲子機器人的機械結(jié)構(gòu)和硬件結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)了子母機器人之間的通信。球形兩棲子母機器人均能實現(xiàn)兩種運動的自由切換，母機器人在水下噴水式運動，陸地上采用仿生四足爬行，子機器人在陸地上采用輪式運動，在水下通過特殊設(shè)計的槳葉輪實現(xiàn)運動。球形兩棲母機器人作為球型兩棲子機器人的搭載平臺為其提供信號和能源，兩者采用有線連接，通過點對點通信實現(xiàn)信號傳遞，同時方便子機器人的回收。本文分別對母機器人和子機器人進行陸地實驗，而且進行了水下的釋放實驗，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的有效性。接下來的工作中，可通過給子母機器人系統(tǒng)增加傳感器，增加其對外部環(huán)境的感知能力，更方便地執(zhí)行任務(wù)。該系統(tǒng)在海洋探索和軍事偵察領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。