一种仿水黾新型水上行走机器人的研究

１８机械传动２０３８年文章编号：１０３４．一２５３９（２（】０８）０３—００１８—０４

一种仿水黾新型水上行走机器人的研究

张兆隆１高铁红２高勇１

（１河北机电职业技术学院，河北邢台０５４０４８）

（２河北工业大学机械工程学院，天津３０）１３０）

摘要水黾是一种可以在水面上行走的昆虫，基于水黾水面行走原理，提出了一种新型的仿生水上行走机器人，该机器人利用电磁铁驱动，基于曲柄滑块机构及并联原理设计了机器人单腿驱动机构，驱动机器人的划动腿在水面中形成椭圆形的划水轨迹。并模拟仿生原型水黾结构，采用６条腿结构方式设计了水上行走机器人整体机构。基于虚拟样机技术对驱动机构、水上行走机器人整体机构进行了建模和运动仿真。验证了机构设计的合理性和功能实现的正确性。在实验室环境下，基于水上行走机器人工作环境的特殊性，设计和制作出了水上行走机器人样机。

关键词仿生机器人水上行走机器人水黾并联机构曲柄滑块机构电磁驱动

引言

仿生机器人的研究是当今机器人研究领域的前沿课题。模拟各种生物在各种特定条件下的卓越功能，制造出可以代替人类从事恶劣环境下工作的仿生机器人，是机器人研究工作者的研究目标。

水黾是一种在湖水、池塘、水田和湿地中常见的小型水生昆虫，可在水面上划行和跳跃。各国学者对水黾的飘浮机理和运动方式【ｌ＿２Ｊ等进行了深入研究。基于水黾运动机理，美国麻省理工大学的数学家约翰·布什教授、卡内基梅隆大学的迈汀·斯廷教授、哥伦比亚大学的戈德教授以及日本中央大学的山田正教授等学者都对仿水黾机器人进行了许多探索性研究，但是，目前大多数研究还停留在实验室研究阶段，还有许多需要进一步开展的研究工作。本论文从功能仿生的角度进行水上行走机器人研究，提出了一种基于水黾运动机理的新型的水上行走机器人方案，并对其进行了虚拟样机研究、样机的制作以及运动实验。

１仿生原型水黾的研究

水黾是一种在湖水、池塘、水田和湿地中常见的小型水生昆虫，身长大约１厘米，可在水面上划行和跳跃，如图１。

中国中科院化学所有机固体院重点实验室江雷研究员以及美国麻省理工学院的数学家约翰·布什教授领导的研究小组、日本科学家等都对水黾运动机理［３－４】进行了研究。揭露出水黾依靠其多毛的长足在水中制造出螺旋状的漩涡，借助漩涡的推动力以椭圆的运动轨迹实现向前运动的运动机理。

水黾在水面上的运动方式如图２所示【５－７Ｊ，可以看出，水黾为６条腿结构，其前后４条腿保持与水面接触，主要起支撑作用，其左右两条腿为驱动腿，推动水黾运动；当向前运动时，水黾的前后４条腿保持与水面接触，左右两条驱动腿按相同的运动规律前后划动，不同时刻运动位置相同，这样就能保证水黾平衡地向前运动；当拐弯运动时，如向左拐弯，水黾前后４条支撑腿保持不动，同时左驱动腿也保持不动，只有右驱动腿

进行划动，这样就实现了水黾的向左拐弯运动。

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第３２卷第３期一种仿水黾新型水上行走机器人的研究１９

由上所述可知，水黾利用其驱动腿在水面上形成椭圆形划动轨迹实现行走，因此本机器人的设计主要是结构仿生和其在水面上运动机理的仿生。

２水上行走机器人研究

２．１水上行走机器人驱动机构设计研究

基于水黾的运动机理，设计的水上行走机器人驱动机构输出椭圆形运动轨迹以实现驱动机器人。

选用微型电磁铁作为水上行走机器人驱动器。为了模拟水黾的运动机理，驱动机构需要实现把电磁铁的直线输出转化成转动输出。选用曲柄滑块机构作为驱动机构原型，曲柄滑块机构简图如图３所示。

图３曲柄滑块机构衙图

在通常使用中，主要以曲柄滑块机构的曲柄１作为主动件，滑块３为从动件，实现把转动转换为直线运动。在本论文驱动机构设计中，采用滑块３作为主动件，连杆１作为从动杆，实现把电磁铁的直线运动转化为杆１绕０点的转动。

为了使驱动机构输出椭圆形运动轨迹，基于并联机构原理，对曲柄滑块机构进行变形，即采用两个微型电磁铁对其进行驱动，设计了水上行走机器人单腿并联机构，如图４所示。从图４上可以看出，单腿并联机构具有两个驱动，驱动电磁铁１和驱动电磁铁２，驱动电磁铁１驱动机构实现前后的运动，驱动电磁铁２实现机构的抬起运动，对两个驱动器进行协调控制，驱动机构就可以实现预定的椭圆形运动轨迹，如图４所示。在机器人本体上左右两边各安装一个驱动机构作为机器人的划动腿，机器人就可以很好的实现前进和拐弯等运动。

图４机器人单条腿并联结构示意图及运动轨迹２．２水上行走机器人漂浮机构设计研究

采用漂浮机理进行水上行走机器人漂浮机构的设计，在考虑漂浮力和阻力的条件下，本论文拟采用圆柱形漂浮机构，其内部为中空，这样既能保证漂浮力满足支撑机器人本体的要求，在水中运动时，其阻力也较小，漂浮机构如图５所示。

２．３水上行走机器人整体机构设计研究

基于水黾的结构原理，在采用圆柱体作为支撑腿以及设计好的单腿并联机构，本论文设计的水上行走机器人结构基本组成有本体和６条腿，其本体承载附属器件，前后４条腿主要起支撑作用，左右两条腿为驱动腿，如图６所示。

由图６可知，设计的水上行走机器人采用３个微型电磁铁作为驱动器，其中电磁铁３作为左右两条驱动腿共用，电磁铁１和电磁铁２分别驱动左右两条驱动腿。当向前运动时，电磁铁１和电磁铁３驱动左腿形成椭圆运动轨迹，电磁铁２和电磁铁３驱动右腿形成椭圆运动轨迹，并且电磁铁ｌ和电磁铁２运动规律相同，这样就可以驱动水上行走机器人平衡地向前运动；当拐弯时，如向右拐弯运动，驱动电磁铁２保持静止，右驱动腿保持不动，只有电磁铁ｌ和电磁铁３驱动左驱动腿进行划动，而右腿只有在电磁铁３驱动下进行的上下摆动，并不会形成前后滑动的运动轨迹，这样水上行走机器人就可以实现向右拐弯运动。支撑腿通过金属丝同本体连接在一起。

机器人单腿并联机构采用两个电磁铁进行驱动，

但本论文设计的水上行走机器人整体机构并没有采用　万方数据

机械传动２００８年

４个微型电磁铁进行驱动，在很大程度上减轻了机器人的总重量，易于在水面上漂浮。

设计的水上行走机器人本体上具有较大空间，适用于以后在本体上增加控制系统、能源系统以及其它检测系统等；水上行走机器人整体结构较简单，其驱动机构和连接机构上也没有复杂的结构体系，满足可加工性要求。

３水上行走机器人虚拟样机研究

虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术，其采用Ｐｍ／Ｅ软件对机构进行建模，验证机构设计和装配的正确性和合理性；采用ＡＤＡＭＳ软件建立机构运动仿真模型，分析机构的运动轨迹及参数性能，从而为物理样机的设计和制造提供依据。

３．１机构建模

对单腿并联机构进行建模，如图７所示。轨迹，并且验证了结构装配上的合理性。

Ｂ．水上行走机器人运动曲线分析

水上行走机器人驱动腿运动速度曲线如图ｌＯ所示。

由图１０可以看出，水上行走机器人的左右驱动腿输出的速度曲线重合的，即左右驱动腿速度具有相同的变化规律和大小。所以可得出结论：水上行走机器人左右驱动腿能够保持平衡的运动规律，可以使水上行走机器人平衡地向前运动。

图７驱动机构建模

基于对单腿并联机构的建模和设计的水上行走机

器人整体机构，对水上行走机器人整体机构进行了三

维建模，如图８所示。４水上行走机器人样机制作

图８水上行走机器人整体机构建模

单腿并联机构和水上行走机器人整体机构建模的成功，证明了结构设计的合理性、正确性，以及实际样机制作的可行性。

３．２运动仿真

Ａ．水上行走机器人运动轨迹仿真

基于对水上行走机器人建模的成功，利用ＡＤＡＭＳ软件对其进行了运动仿真分析，输出驱动腿的运动轨迹，如图９所示。

通过运动轨迹的输出，可以看出水上行走机器人整体机构设计的合理性，驱动腿能够实现椭圆形运动４．１本体以及连杆材料的选择

在挑选机器人本体材料时，需要考虑材料的特性，基于它们的密度和抗张强度来进行选择。密度是材料单位体积重量的标准，抗张强度表示材料在不被撕开的情况下所能承受的最大张力。机器人本体材料将具有低密度、高抗张强度等特性。

常用的金属和非金属材料有碳素纤维、有机玻璃、钢和铝，４种材料的特性如表１所示。

表ｌ本体材料特性比较

材料密度／（ｇ／删３）拉伸强度／（Ｃｅａ）碳素纤维ｌ３．５

钢７．ｓ７１．３

铝２．７７Ｏ．４有机玻璃１．１８０．６ｌ

由表ｌ可以看出，有机玻璃和碳纤维板是比较轻　万方数据