波動鰭水陸兩棲機器人的設計與運動性能評估

李亞鑫, 杜 亮, 王 宇, 楊 淼

(西南石油大學 電氣信息學院,成都 610500,E-mail: liyaxin@swpu.edu.cn)

兩棲動物在水陸及其交接過渡地帶活動,對復雜多變的環境具有較強的適應能力。與多數只能在單一環境下活動的機器人不同[1-2],以兩棲動物為原型研制的水陸兩棲機器人通常需借助不同的動力源用以實現水下、陸地兩種運動模式,從而為生態環境監測、資源勘探、沿海區域軍事防御等任務提供移動式硬件平臺[3]。

為了提高兩棲機器人的運動靈活性與機動性,國內外眾多學者在采用仿生式設計思想的基礎上,相繼提出了一系列復合驅動型的機器人樣機[4-5]。東京工業大學的廣瀨教授基于半仿生推進設計理念,研制了一款水陸兩棲蛇形機器人ACM-R5[6-7]。該機器人由9個防水模塊通過2自由度關節連接而成。每個關節外側由于安裝了被動輪,機器人在陸地可通過擺動加滾動的方式實現蜿蜒運動;此外,關節上還集成了擺動“鰭”,可起到“槳”的劃水作用,保障其在水下自由游動。類似輪-鰭復合驅動的方式還有北京理工大學楊毅教授團隊研發的蛙型水陸兩棲機器FroBot[8-9]。通過周期性地擺動機器人兩后足,其足底安裝的萬向輪可使機器人在平坦路面具有較快的移動速度?；谕茴愒谒碌倪\動模式,機器人兩后足配置了尾鰭可模擬青蛙的腳蹼,通過往復擺動尾鰭驅動機器人在水下運行。但面對崎嶇、復雜的陸地環境,以上兩類機器人在地形適應性方面將遇到較大挑戰。相較之下,腿式機器人由于運動肢具備多自由度,目前也是水陸兩棲機器人發展的重要方向。其中,中國科學技術大學張世武教授團隊提出的六足水陸兩棲機器人AmphiHex-Ⅱ采用可變剛度的腿-鰭復合結構[10],在陸地上利用電機驅動扇形腿移動,其簡單的水陸切換方式,也使集成在腿部的柔性鰭可輕松推動機器人在水下實現多自由運動。這款腿-鰭復合式推進結構由于具備剛度可調的特性,大大增強了機器人適應多變環境的能力。同樣受節肢動物腿部生理特征的啟發,一款“輪-腿-矢量噴水”復合驅動的四足兩棲球型機器人也由北京信息科技大學研制而成[11]。該機器人不僅融合了輪式機器人在平坦路面移動的快速性與腿式機器人對復雜地形的適應性,還通過為每條運動肢添加噴水電機,最大限度地保障了機器人在水下運動的靈活性。

綜上所述,水陸兩棲機器人的推進結構設計大多采用不同動力源相疊加的方式,即在面向單一環境的驅動機構基礎上附加額外推進裝置,這將導致水陸兩棲機器人的推進器不僅機械結構復雜而且控制難度較大。因此,本文采用半仿生式的推進器設計思路,提出了一款基于波動鰭驅動的水陸兩棲機器人。波動鰭推進方式通常被用于驅動水下仿生機器人運動,比如FESTO公司研發的BionicFinWave[12]、中科院自動化所研發的RobCutt系列[13]、希臘克里特教育技術學院研發的SQUIDBOT系列[14]等。由于這類機器人鰭面多選用剛度較低的硅膠,若直接用于驅動機器人很難支撐機體重量實現陸地運動。因此,本文從鰭面材料出發,在水陸兩種環境下利用實驗分析不同鰭面材料屬性對推進器性能的影響,最終開發了一款適應水陸兩棲環境的波動鰭機器人。只需搭載一套推進裝置,該機器人即可同時兼顧水下、陸地兩種運動模式,保障其運動靈活性的同時大大降低了機械設計和控制的復雜性。

1 水陸兩棲機器人樣機設計

1.1 機械設計

通過觀察鰩科魚類的生理特征,不難發現其游動的推進力主要來源于身側一對寬大且能柔性運動的胸鰭。該胸鰭由數百根軟骨支撐,通過胸鰭肌肉組織連接在一起構成柔性鰭面。在中樞神經系統的控制下,胸鰭軟骨將有節律地上下擺動,從而帶動鰭面波動。此時,鰭面形成的柔性波將推動周圍流體使機器人獲取前進動力。本文提出的水陸兩棲機器人即采用了這種波動鰭推進方式,通過選擇合適的鰭面材料并配置關鍵的推進器運動模型參數,該推進方式可使機器人完成水陸兩種環境下的多自由度運動。

為模擬水下游動鰩魚的外形,機器人樣機設計如圖1所示。整機呈扁平狀,波動鰭推進器分布在機體兩側。綜合考慮鰩魚波動鰭的生理特征與機械實現的局限性后,本文在機身兩側的鋁合金固定基座為推進器安裝了18個防水舵機,通過獨立驅動方式控制鰭條周期性地往復擺動,從而牽動鰭面產生柔性波,模擬鰩魚胸鰭的節律性運動。與BionicFinWave這類采用電機聯動機身兩側曲柄的方式不同,單鰭條獨立驅動方式可靈活調整波動鰭的運動參數,從而便于切換水陸運動模式。在選擇鰭面材料方面,被鰭條帶動的鰭面一方面要產生連續的柔性波推動機器人在水下游動,另一方又需要具備一定硬度用于支撐機體保障其陸地運行。因此,本文采用了楊氏模量較大的丁腈橡膠并將其設計成扇形用以模擬鰭面的柔性波動。如圖2所示,因為扇形鰭面內外弧長不同,當鰭條垂直于舵機安裝基座并以此為基準固定鰭面時,丁腈橡膠由于具有一定柔性將在鰭條的約束下自然卷曲成平滑的曲面。配合鰭條周期性地上下擺動,柔性鰭面將產生連續的正弦波,進而在水動力或摩擦力的推動下使機器人完成水陸兩棲運動。

▲圖2 波動鰭柔性鰭面

在裝配樣機時,考慮到推進器需要在陸地上承受機體重量,因此本文采用高性能尼龍材料3D打印了機器人機身與鰭條。輕量化的機身不僅減輕了機器人陸地運行時舵機需要承擔的負荷,還保障其在水下具有良好的耐壓性。此外,由于鰭條也需要具備一定硬度用于帶動柔性鰭面波動產生推力,本文選擇了相同的3D打印材料。表1匯總了機器人樣機各項關鍵設計參數。

表1 機器人樣機設計參數

1.2 電氣電路設計

為便于實現兩棲機器人的運動控制,密封于機體內部的電氣電路如圖3所示。機器人主控板采用Stm32f103zet6,并通過串口通信連接舵機驅動板(LSC-24),分別控制18路防水舵機(HS-5086WP, Hitec)驅動鰭條節律性擺動?？紤]到機器人續航能力,機身內置了一塊2 200 mAh的鋰電池,可維持機器人在額定功率下連續工作一小時,并且該機器人機蓋還預留了充電口,方便機體在密封防水的前提下進行續航能量補給。通過在樣機內部搭載9軸陀螺儀(MPU9250)與壓力傳感器(MS5837-30BA),機器人可在水下與陸地實現多自由度自主運動控制。

▲圖3 電氣電路設計模塊圖

此外,密封機艙內還配置了遙控接收器與程序調試器,這很大程度上方便了后續對機器人運動控制程序的在線調試。

2 波動鰭推進方式的運動模式規劃

基于上文的機械設計,搭載波動鰭的兩棲機器人可通過一套推進器實現水陸兩種環境下的運動,因此這種靈活的仿生結構將大大降低運動模式規劃的復雜性。

2.1 推進器關鍵參數選定

根據波動鰭運動的推進原理,鰭面上連續傳遞的柔性波是在鰭條周期性地擺動下形成的,因此,任何一根鰭條i的節律性運動均可用其偏離水平面的夾角θi表示為:

θi(t)=Asin[2πft+(i-1)φ0]+θB

(1)

如圖4所示,A表示鰭條擺動的最大幅角(以偏離水平面θB的中性面為基準),f和φ0反應了鰭條運動的頻率以及相鄰鰭條之間的相位差。

為了保障鰭面生成的連續行波具有較好的平滑度,相鄰鰭條之間的相位差φ0不宜超過90°。同時,機器人需借助鰭面在地面接觸點產生的摩擦力實現陸地運動,因此,其兩側推進器的鰭面必須產生兩個完整的正弦波(w=2)以保障機身在任意時刻都處于穩定狀態?；谝陨弦?波動鰭鰭條個數N需要滿足如下方程:

▲圖4 波動鰭鰭條的運動分析

(2)

上式解釋了單側推進器鰭條設為9條的根本原因。

依據鰭條運動模型不難發現,推進器產生的推力在很大程度上取決于鰭條擺動的幅角A與頻率f。本文選擇利用鰭條擺動頻率來控制推進器推力,其主要原因在于柔性鰭面的楊氏模量較大。若鰭條擺動幅角選擇不合適則很容易拉伸鰭面,導致驅動鰭條運動的舵機超負荷工作。因此,根據相鄰鰭條之間幅角差呈周期性的關系:

(3)

2.2 運動模式規劃

綜合以上波動鰭推進器的關鍵參數選定原則,下面將依據鰭條運動模型的具體形式,規劃機器人在水陸環境下實現多自由度運動時的各種姿態。

機器人在水下游動時,為了保障自身的平穩性,推進器鰭面需要產生一個完整的正弦波(w=1),用以平衡機身上下的波動。因此鰭條的運動參數可配置為:

θi(t)=26°sin[2πft±(i-1)45°]+θB

(4)

波動鰭相鄰鰭條在該相位差(φ0=45°)下,鰭面將產生連續且平滑的正弦波,從而有助于提升推進效率。當鰭條依照公式4的運動模式上下擺動時,鰭面形成的柔性波將推動周圍流體,使機器人獲得與正弦波傳播方向相反的推力FP且平行于機身,如圖4所示。與此同時鰭條的周期性運動也將在擺動中性面產生垂直于機身的力FN。如圖5(a)所示,當θB=0即推進器在水平面波動時,通過為左右兩側的波動鰭鰭條配置相同的擺動頻率,推力FP將驅動機器人前行。此時,機身兩側的FN也在水平面相互抵消。同理,當機身一側推進器改變鰭面正弦波傳播的方向,如圖5(b)所示,左右兩側相反推力FP將相對于機身質心產生轉矩,從而驅動其原地旋轉。若θB≠0即推進器波動的中性面偏離水平面時,如圖5(c)和(d)所示,此時FN在垂直方向將存在分力,進而調整機身的俯仰角,驅動機器人上浮或下潛。

▲圖5 機器人水下運動姿態

機器人在陸地運行時,由于波動鰭需要支撐機體重量,因此機身每側鰭面需要至少產生兩個完整的正弦波,即任意時刻都可保障鰭面與地面有四個接觸點。為滿足此要求,配置相鄰鰭條相位差φ0=90°時,鰭條運動模型表示為:

θi(t)=14°sin[2πft±(i-1)90°]+θB

(5)

▲圖6 機器人陸地運動姿態

如圖6所示,波動鰭中性面偏離水平面的角度θB將使FN起到鰭面對機身穩定支撐的作用。通過控制推進器鰭面正弦波的傳播方向,機身左右兩側波動鰭產生的推力FP可使機器人輕松實現前進、倒退、原地旋轉等運動。

3 波動鰭推進器的性能評估

針對兩棲機器人對波動鰭推進器水下及陸地運動模式提出的不同需求,不難發現鰭面材料特性對機器人運動性能至關重要。因此,本文一方面選取了水下波動鰭鰭面的常規材料硅膠與丁腈橡膠作對比;另一方面,考慮到鰭面需要具有一定支撐力,本文分別準備了2 mm和3 mm厚度的硅膠和丁腈橡膠用以模擬不同剛度的鰭面,其相關材料特性見表2?；趫D7所示的測力裝置,本章重點分析推進器采用不同材料屬性鰭面時,其水下和陸地產生推力以及消耗功率的情況。

表2 不同鰭面的材料特性

如圖7所示,該測力裝置由長寬高為1 200 mm×500 mm×800 mm的鋁合金支架搭建,一對波動鰭推進器通過一根連桿固定于高度可自由調節的光滑導軌上。實驗中,本文基于上文建立的運動模型,通過控制鰭條擺動頻率來測量推進器產生的推力以及驅動舵機消耗的總功率。每組實驗重復五次,從壓力傳感器(JLBS-M2,量程為10 N)以及功率檢測模塊(ZK-J5X,量程為160 w)采集到的力與功率數據,將實時傳輸至PC機端進行后續數據處理。

▲圖7 推進器測力裝置

波動鰭水下性能測試實驗中,推進器完全浸沒于長寬深為850 mm×550 mm×500 mm的水箱中。鰭面材料分別配置了不同剛度,圖8匯總了鰭條擺動頻率與推進器產生的平均推力、功率消耗之間的關系。隨著鰭條擺動頻率增大,鰭面上柔性波傳播速度加快,進而借由周圍流體水動力產生的推力也增強,舵機驅動鰭條運動的總能量開銷也增大。對比不同類型的鰭面,在功率差異不大的前提下,明顯3 mm厚度的丁腈橡膠產生的推力更大。因此,就水下推進性能而言,3 mm厚度的丁腈橡膠更適合作為鰭面的首選材料。

▲圖8 波動鰭水下推進性能與鰭面材料、鰭條擺動頻率的關系

與水下實驗相對照,圖9展示了波動鰭在光滑陸地上產生的平均推力與功率開銷隨鰭條擺動頻率之間的關系。實驗考慮到驅動鰭條運動的舵機有機械位置極限,將鰭條擺動中性面與水平面夾角設置為θB=54°,由FN力分解可知,其可用于平衡機身重量。丁腈橡膠相較于硅膠楊氏模量較大,因此不僅具備足夠的剛度用于產生FN支撐機身,而且在波傳播方向形成的推力也遠遠大于硅膠鰭面。與此同時,3 mm厚度硅膠制成的鰭面,其陸地運動性能遠遠弱于相同厚度的丁腈橡膠,特別是在功率開銷差異允許的情況下,3 mm厚度丁腈橡膠在陸地上產生的推力遠遠大于硅膠。綜合以上實驗數據,鰭面材料選取3 mm厚度丁腈橡膠更適合將波動鰭應用于水陸兩棲環境。

▲圖9 波動鰭陸地運動性能與鰭面材料、鰭條擺動頻率的關系

4 兩棲機器人樣機運動性能評估

本文組裝搭建的水陸兩棲機器人樣機如圖10所示。為了評估搭載波動鰭的兩棲機器人運動性能,實驗過程以第二章兩棲運動模式為基礎,分別測試了該機器人在水下與陸地實現多自由度運動的各項性能。

4.1 水下實驗

為了驗證機器人在水下運動的靈活性與機動性,本文在戶外小型泳池(長寬深:4 000 mm×1 500 mm×850 mm)內進行了包括直行、原地旋轉、上浮下潛在內的水下實驗?？紤]到泳池空間有限,機器人在游動過程中產生的水波經池壁反射勢必會影響運動。因此,本文通過機身內部搭載的陀螺儀感知位姿,采用PID控制算法調整左右側鰭條擺動頻率的方式,控制機器人在平面運動的偏航角,從而探究其直行與原地旋轉的運動性能。

▲圖10 波動鰭水陸兩棲機器人樣機

當鰭條的驅動舵機在額定頻率2.4 Hz下工作時,如圖11所示,機器人在泳池內以池底標尺為基準,可輕松實現前進運動。若使機身兩側波動鰭產生的柔性波反向傳播,機器人即可完成后退運動。與此同時,本文通過改變波動鰭鰭條擺動頻率,且每組實驗重復5次,記錄下機器人在不同頻率下直行運動的平均速度與其平均偏航誤差。如圖12所示,機器人在水下直線航行速度與波動鰭鰭條擺動頻率呈正比關系,最大航行速度可達160 mm/s,且最大偏航角不超過2°。

▲圖11 機器人水下直行實驗展示

▲圖12 機器人水下直行的運動性能

當改變機器人單側推進器上柔性波傳播方向時,機身在兩側推進器反向推力作用下可實現原地旋轉運動。圖13(a)匯總了機身原地旋轉時平均角速度與波動鰭鰭條擺動頻率之間的關系。隨著頻率增大,波動鰭產生的推力增大進而帶動機身旋轉的角速度增大。從偏航角控制誤差來觀察,平均值不超過1°,其控制準確性較高。圖13(b)則展示了2.4 Hz頻率下機器人先后旋轉至90°、180°機身偏航角的動態響應。偏航角在PID控制下雖然會產生了一定超調(不超過5.7%),但其響應速度較快,且穩態可以準確跟隨設定值。

▲圖13 機器人水下原地旋轉的運動性能

根據機器人水下運動姿態規劃,當波動鰭中性面與水平面重合時,機器人可通過改變鰭條擺動頻率控制機身在平面內運動。若需要調節機器人縱向深度時,中性面與水平面夾角θB就成為關鍵運動參數。圖14展示了θB分別為15°、30°、45°,機器人實現上浮與下潛時其質心距離水平面垂直深度隨時間變化的關系。顯然,鰭條擺動的中性面與水平面夾角越大,機器人上浮和下潛的速度越快,其最大速度在θB=45°、f=2.4 Hz時可達40 mm/s和46 mm/s?；诖藢嶒灁祿?可將θB=45°設置為參考值,從而保障驅動鰭條擺動的舵機有一定運動裕量。此外,由于機器人內部搭載了壓力傳感器,本文在其上浮、下潛運動時同樣采用了PID控制算法實現深度閉環控制,且控制精度良好。

4.2 陸地實驗

根據波動鰭在陸地驅動機器人的運動模型,本節重點評估機器人樣機的陸地運動性能。圖15展示了機器人分別在瓷磚地面、塑膠跑道、瀝青路面和沙地的行進過程。實驗結果表明當波動鰭鰭面材料和運動參數配置合理時,其可提供足夠動力驅動機器人在不同類型路面上移動。當機器人運動參數配置相同(θB=54°,f=2.4 Hz),在上述四種路面上分別重復5組實驗,圖16(a)匯總了其直線運動時機身平均前進位移與時間的關系。瓷磚地面由于光滑程度較高,波動鰭鰭面產生的柔性波在傳播過程中所受摩擦力較小,因此機器人移動速度較快,可達15.4 mm/s。相反,松軟的沙地會對波動鰭的陸地運動影響較大,阻礙鰭面上柔性波的傳播,導致機器人在沙地移動過程中速度較小。

▲圖14 機器人水下上浮、下潛的運動性能

▲圖15 機器人分別在瓷磚地面、塑膠跑道、瀝青路面和沙地的行進過程

此外,通過改變機器人一側推進器上行波傳播方向,機器人在陸地可同樣實現轉彎。圖16(b)展示了機器人在光滑地面上轉向90°后繼續直線前行的運動性能。由機身質心位置可知,機器人旋轉過程近乎在原地進行,較小的旋轉半徑驗證了機器人運動的靈活性。當機器人直線運動時,其機身橫向和縱向波動非常小,這也證明機器人在陸地運動具有較好的平穩性。

▲圖16 機器人陸地運動實驗

5 結論

為了降低兩棲機器人推進器設計的機械復雜性,本文基于鰩科魚類游動的運動特征,采用半仿生式設計思路研發了一款波動鰭推進的水陸兩棲機器人。通過為該推進器規劃運動模式以及配置合理運動參數,該機器人在波動鰭驅動下可輕松實現水下與陸地的多自由度運動并且模式切換簡單。對比PES研發的有纜式波動鰭兩棲機器人Velox[15],本文提出的機器人不需要通過電纜供電,因此大大降低了電纜被環境中水草或其他未知物體纏繞的風險?？紤]到機器人需依靠攜帶的電池供電,本文一方面通過機械設計使機身結構輕便、緊湊;另一方面在參考推進器功率開銷的前提下,通過實驗為波動鰭選取合適的鰭面。最終,本文選定將3 mm厚度的丁腈橡膠作為推進器鰭面材料,并基于此搭建了機器人樣機。實驗部分測試了該樣機在水下、陸地的運動性能。在波動鰭驅動下樣機不僅可完成直行、原地旋轉、上浮下潛等水下運動,而且其對不同類型路面也具有較好的適應性。樣機在兩棲環境下的運動性能評估實驗證明了該機器人具有較好的靈活性與機動性。