水陸兩棲六足機器人的設計與性能評估

王 宇 周 爽 李亞鑫

西南石油大學電氣信息學院，成都，610500

0 引言

與單一環(huán)境下活動的水下機器人或足類機器人不同，兩棲機器人通常搭載具有獨特機械設計與運動特性的復合推進機構(gòu)，以保障它可在陸地、水下以及水陸交接的過渡環(huán)境中執(zhí)行包括生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、水下資源勘探、災后搜索救援在內(nèi)的眾多任務[1-3]。

水陸兩棲機器人應用前景廣闊，眾多學者受兩棲動物外形結(jié)構(gòu)、生理特征、運動規(guī)律的啟發(fā)，提出了一系列仿生機器人樣機。哈爾濱工程大學王立權(quán)教授團隊研發(fā)的足槳混合驅(qū)動水陸兩棲機器人就是以海蟹為仿生原型設計而成的[4-5]，根據(jù)任務所在的不同環(huán)境，機器人可靈活選取步行足或游泳槳作為運動驅(qū)動方式，但由于該機器人推進裝置完全模仿海蟹的運動生理特征，因此需要具備水下推進和陸地爬行兩套不同執(zhí)行機構(gòu)。中國科學技術(shù)大學張世武教授團隊提出的AmphiHex則基于部分仿生的設計思想[6-8]，陸地環(huán)境以蟑螂為仿生目標采用可變形弧形腿的推進機構(gòu)，在水下借鑒魚類波動運動特征，采用波動矢量推進方式，因此，針對AmphiHex水陸兩棲機器人設計而成的可變性腿-鰭復合推進方式僅采用一套變形機構(gòu)即可實現(xiàn)運動腿形狀的有效改變，從而為水下、陸地兩種復合運動提供了解決方案。中科院自動化研究所提出了輪-槳-鰭多模態(tài)仿生兩棲機器人[9-10]，在水下可結(jié)合仿魚推進和仿海豚式游動，在陸地則驅(qū)動機器人身體兩側(cè)的輪式運動機構(gòu)。考慮到兩棲機器人需要應對不平坦的水陸環(huán)境，相較于輪式運動方式，采用步行足的腿式兩棲機器人具有更好的地形適應能力。因此，日本國立香川大學的郭書祥教授團隊為四足球型兩棲機器人提出了腿式運動肢-復合噴水電機的一體化設計[11-13]，一方面該機器人可采用腿式結(jié)構(gòu)在陸地上實現(xiàn)較豐富的步態(tài)控制；另一方面由于每一條運動肢在水下都是矢量推進器，因此通過合理配置四足的相對位置，球形機器人可在水下輕松地完成包括直行、旋轉(zhuǎn)、上浮和下潛在內(nèi)的多自由度運動。但由于該機器人是四足設計且每條腿只有兩個自由度，故大大限制了機器人在運動過程中姿態(tài)控制方面的多樣性。

綜上所述，兩棲機器人的設計、推進器的結(jié)構(gòu)、水陸間運動機構(gòu)的切換方式都決定了機器人對多變環(huán)境的適應性及其運動的機動性、靈活性。針對以上挑戰(zhàn)，本文提出了一款水陸兩棲六足機器人，它搭載的三自由度步行足機構(gòu)不僅結(jié)合了六足昆蟲類運動肢的生理特征，還通過復合噴水電機實現(xiàn)了水陸運動切換簡單的一體化矢量推進方式。

1 水陸兩棲六足機器人設計

1.1 機械設計

本文提出的水陸兩棲機器人采用部分仿生的設計思想，其整體機械設計如圖1所示。該機器人主要由用于密封控制電路的半球形機艙和均勻分布于機身的6條足式復合運動肢組成。

圖1 水陸兩棲六足機器人模型圖Fig.1 Amphibious hexapod robot model

機器人六足設計的靈感主要源于如螞蟻、蟑螂等昆蟲類突出的陸地運動性能。通過觀察它們的生理特征不難發(fā)現(xiàn)，每條運動肢分別由基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)和跗節(jié)等組成，這種多自由度的腿部結(jié)構(gòu)不僅保證了它們在復雜陸地環(huán)境的通過性，更提高了爬行運動的穩(wěn)定性。因此，本文在綜合了六足昆蟲類生理特性與機械設計復雜度等因素后，提出了模擬基節(jié)-股節(jié)-脛節(jié)的三自由度運動肢結(jié)構(gòu)。初始狀態(tài)下每條運動肢呈圓周狀均勻分布于機身，這在保證每條運動肢具有足夠運動空間的前提下，避免了相鄰足間的相互干擾。與此同時，為了實現(xiàn)水陸兩棲機器人在水下運動的高靈活性與機動性，受水母、烏賊等噴射推進方式的啟發(fā)，通過在上述陸地步行足上搭載噴水電機，設計出了綜合陸地爬行與水下矢量推進的機器人復合運動肢。該運動肢采用了三連桿并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)關(guān)節(jié)處的三個防水舵機不僅可以合理控制每條腿在爬行過程中的相對位置，而且由于噴水電機的出水口配置于足端，因此三自由度運動機構(gòu)可使每條運動肢成為一個獨立矢量推進器，方便機器人實現(xiàn)靈活的水下運動。如圖1細節(jié)圖所示，該復合運動肢的基節(jié)由于近機身側(cè)，負荷較重，因此由鋁合金CNC加工而成以確保其結(jié)構(gòu)強度。相較之下，股節(jié)與脛節(jié)則采用韌性好、質(zhì)量小的高性能尼龍3D打印而成(3D打印機型號：HP Jet Fusion 3D 4200)。同時，為了盡量減小機器人爬行過程中每條運動肢舵機上承受的負荷，質(zhì)量較大的噴水電機被固定于機艙外側(cè)而非運動肢足端。基于以上考量設計而成的水陸足式復合運動肢既保證了兩棲機器人在陸地復雜地形的爬行能力，又通過矢量推進方式實現(xiàn)了機器人在水下的靈活運動。

此外，用于密封機器人控制電路并且負責固定運動肢的機艙也由高性能尼龍材料3D打印而成。由該種材料制成的機艙質(zhì)量小且強度高，這不僅減小了機器人陸地爬行時運動肢的負荷，也確保了其水下運動時機身可承受足夠大的壓力。

1.2 電氣電路設計

為了方便控制兩棲機器人在陸地與水下的各種運動姿態(tài)，設計了圖2所示的密封于機艙內(nèi)部的機器人電氣電路。該機器人主控板采用Arduino Mega 2560，通過舵機控制板(SSC-32)控制6條運動肢上18個舵機轉(zhuǎn)動，從而合理調(diào)整每條三自由度復合運動肢的足端位姿。為兼顧機器人水陸兩棲的運動環(huán)境，舵機使用防水舵機(Hitec HS-5646WP)。機器人通過搭載5300 mA·h的鋰電池給主控板和舵機控制板供電。與此同時，為保證機器人在水下具有良好的續(xù)航能力，本文采用6個1300 mA·h鋰電池分別為各條運動肢上的噴水電機供電，可保證其在額定功率下連續(xù)工作1.5 h。機器人在水下矢量推力的大小則由主控板產(chǎn)生的6路脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)信號控制。PWM信號通過調(diào)節(jié)噴水電機轉(zhuǎn)速進而改變足端噴水口的流速，達到控制矢量推力大小的目的。此外，為了保證機器人在陸地與水下運動的機動性，還配置了感知自身姿態(tài)的陀螺儀(BNO055)與檢測水下深度的壓力傳感器(MS5837-30BA)，通過實時獲取機器人當前運動狀態(tài)并反饋給主控板，為水陸兩棲機器人更好地適應復雜環(huán)境提供了硬件方面的支持。

圖2 電氣電路設計模塊圖Fig.2 The framework of electrical circuit

2 運動規(guī)劃

2.1 陸地運動規(guī)劃

兩棲機器人在陸地爬行時面臨眾多挑戰(zhàn)，特別是應對斜坡地形遇到的機身穩(wěn)定性問題。本文在陸地運動規(guī)劃中重點解決機器人適應不同斜坡坡度的運動控制問題。基于運動學分析，本文首先在運動肢的基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)及足端分別建立D-H(Denavit-Hartenberg)坐標系，用以獲取運動肢各關(guān)節(jié)角度與足端位置之間的關(guān)系。由于機器人6條運動肢結(jié)構(gòu)相同且呈圓周對稱分布，因此任意選出一條運動肢建立D-H坐標系，如圖3所示，在此坐標系下運動肢D-H參數(shù)如表1所示。其中，αi為連桿轉(zhuǎn)角，ai為連桿長度，di為連桿偏距，θi為關(guān)節(jié)角。根據(jù)坐標系之間的位姿變換關(guān)系，可以得到機器人足端坐標系{O3}相對于基節(jié)處坐標系{O0}的位姿變換矩陣：

圖3 運動肢D-H坐標系Fig.3 The D-H coordinate of one leg

式中，sθ1表示sinθ1；cθ1表示cosθ1；sθ23表示sin(θ2+θ3)；cθ23表示cos(θ2+θ3)。

為了提高機器人在斜坡地形下的運動性能，本文借助移動效率高的三足步態(tài)，將爬坡角度融入步態(tài)規(guī)劃中并實現(xiàn)了一種可適應于斜坡爬行的三角步態(tài)。具體過程如下：機器人可依據(jù)陀螺儀檢測到的當前位置坡度自適應地調(diào)節(jié)機身質(zhì)心與斜坡的垂直高度；與此同時，通過規(guī)劃三角步態(tài)中運動肢足端的軌跡及實時的機身姿態(tài)，由逆運動學求解運動肢基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)處關(guān)節(jié)角θ1、θ2、θ3：

θ1=arctan 2(py，px)

(1)

(2)

(3)

式中，p為足端的位置矢量。

式(1)～(3)即可用來驅(qū)動運動肢，進而提高機器人對不同坡度的適應能力。

在爬行過程中，機器人三角步態(tài)規(guī)劃如圖4所示，將機器人6條腿分為A、B兩組，R2、L1、L3為A組，R1、R3、L2為B組。機器人整個爬行過程分為準備階段和爬行階段。由于機器的6條運動肢初始化下呈圓周對稱分布，因此在準備階段A組腿抬起向前擺動一個步長，B組腿支撐不動，為機器人爬行做好準備。在爬行階段，步態(tài)周期設定為T，在0～T/2時間段，B組腿作為擺動相，抬起腿向前擺動一個步長，A組腿作為支撐相，向后擺動一個步長，機身向前移動一個步長；在T/2～T時間段，A組腿作為擺動相，抬起腿向前擺動一個步長，B組腿作為支撐相，向后擺動一個步長，機身再次前進一個步長。因此，在一個完整步態(tài)周期下機器人機身可向前前進兩個步長，當A、B兩組腿連續(xù)交替擺動-支撐時，機器人可向前實現(xiàn)三角爬行步態(tài)。這種步態(tài)在螞蟻類六足昆蟲中比較常見，由于每組運動肢在處于支撐相時可構(gòu)成三角形支架結(jié)構(gòu)，因此穩(wěn)定性好，并且兩組運動肢交替前進，移動效率較高。

圖4 三角步態(tài)示意圖Fig.4 The tripod gait planning

2.2 水下姿態(tài)規(guī)劃

由于水陸兩棲機器人的每條運動肢都是一個復合了噴水電機的三自由度矢量推進器，因此通過合理地改變運動肢的姿態(tài)及噴水電機的轉(zhuǎn)速，機器人即可控制矢量推進器的推力方向和大小，從而確保其在水下實現(xiàn)包括直行、旋轉(zhuǎn)、上浮和下潛在內(nèi)的多自由度運動。

具體來說，當矢量推進器調(diào)整為圖5a所示的姿態(tài)時，機器人可實現(xiàn)直行運動。此時，矢量推進器1、2、3相互平行，推進器4、5與水平方向成60°。機器人若要實現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)，其矢量推進器可配置為圖5b所示的姿態(tài)，此時6組推進器在機器人質(zhì)心處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將使其逆時針原地旋轉(zhuǎn)，順時針原地旋轉(zhuǎn)運動同理。當矢量推進器配置成圖5c所示的姿態(tài)時，6條運動肢足端垂直向下噴水，機器人可實現(xiàn)上浮運動。當矢量推進器調(diào)整為圖5d所示的姿態(tài)時，運動肢足端噴口斜向上45°，且由于矢量推進器均勻分布于機身，機器人在合力作用下實現(xiàn)下潛運動。綜上所述，通過合理配置6組矢量推進器的相對位置，兩棲機器人在水下可實現(xiàn)靈活的多自由度運動。

(a)直行 (b)旋轉(zhuǎn)

(c)上浮 (d)下潛圖5 水下多自由度運動示意圖Fig.5 Underwater motion of multi-DoF

3 斜坡爬行ADAMS仿真

為了驗證提出的陸地運動規(guī)劃方法可以協(xié)助機器人更好地適應不同斜坡坡度，本文在ADAMS 2019環(huán)境下對機器人進行了運動學仿真實驗，對比了該機器人在平坦地面、4°斜坡、8°斜坡和12°斜坡下機器人機身的穩(wěn)定性。

在仿真實驗中，首先將兩棲六足機器人的三維模型導入ADAMS中，如圖6所示，其所有運動肢的18個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設置為旋轉(zhuǎn)副，由于機器人的其他部件不需要移動和轉(zhuǎn)動，因此設置為固定副。本文采用了MATLAB Robotics Toolbox規(guī)劃運動肢的足端軌跡并求解相應基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)處的關(guān)節(jié)角。運動肢的軌跡規(guī)劃分為擺動與支撐兩部分，步態(tài)周期T設定為2 s，步長為4 cm，最大抬腿高度為4 cm。將MATLAB求解出的逆運動學結(jié)果導入ADAMS中生成樣條曲線，并作為驅(qū)動函數(shù)使18個旋轉(zhuǎn)副旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動機器人完成平地、各坡度斜坡的爬行任務。與此同時，為了保障機器人足端與行走地面有足夠的摩擦力，在ADAMS中靜態(tài)摩擦因數(shù)和動態(tài)摩擦因數(shù)分別設置為0.3和0.25，仿真時長為24 s。

圖6 導入ADAMS中的機器人三維模型Fig.6 The imported robot 3D model in ADAMS

為方便觀察機器人在運動過程中機身的穩(wěn)定性，本文在機器人爬行起始位置建立全局坐標系oxyz，如圖6所示。機器人在起始位置時的質(zhì)心剛好位于坐標系原點，oxy平面平行于水平面，z軸正方向垂直于水平面，y軸方向指向機器人在平地爬行時水平前進的方向。YF記為機器人沿斜坡前進時的方向。圖7分別展示了機器人在平地、 4°斜坡、8°斜坡和12°斜坡下質(zhì)心在全局坐標系下位移隨時間變化的情況。與平地爬行相比，機器人質(zhì)心在x軸方向的左右擺動位移基本一致，均不超過0.3 cm。在z軸方向上，機器人機身隨坡度雖上下波動略有增加，但總體來說位移曲線平滑沒有突變發(fā)生，這表明機器人在爬坡過程中機身質(zhì)心上下波動較小，運動穩(wěn)定性較高。此外，觀察機器人質(zhì)心在y軸的位移變化情況可知，機器人不論是在平地還是斜坡，其每一個步態(tài)周期位移均一致，運動流暢平穩(wěn)度較好，且運動肢之間也沒有相互干擾的情況出現(xiàn)。以上仿真結(jié)果一方面表明了機器人在爬行過程中具有較好的穩(wěn)定性，同時也從側(cè)面驗證了該兩棲機器人機械設計的合理性。

(a)平坦地面機器人質(zhì)心軌跡 (b)4°斜坡機器人質(zhì)心軌跡

(c)8°斜坡機器人質(zhì)心軌跡 (d)12°斜坡機器人質(zhì)心軌跡圖7 機器人不同斜坡爬行質(zhì)心位移曲線Fig.7 Displacement curve of the robot centroid on the different slopes

4 實驗

為進一步評估兩棲機器人的運動性能，本文搭建完成了圖8所示的水陸兩棲機器人樣機，并分別測試機器人在陸地適應斜坡地形以及在水下實現(xiàn)多自由度運動的各項性能。

圖8 水陸兩棲六足機器人樣機Fig.8 Amphibious hexapod robot prototype

4.1 陸地實驗

本實驗采用已搭建好的機器人樣機在與仿真相同實驗地形下(平地、4°斜坡、8°斜坡和12°斜坡)進一步測試陸地運動性能。機器人所爬行的斜坡由一塊長1.4 m、寬0.7 m的木板搭建而成，且設置了標尺以方便觀測機器人前進的位移情況。圖9展示的是機器人在12°斜坡上向前爬行的過程，其中0～6 s為機器人獲取斜坡坡度并自適應調(diào)節(jié)機身質(zhì)心高度的階段，6～30 s為機器人爬行階段。圖10展示了機器人在不同斜坡下的運動性能，可以看出，不論平地還是斜坡，爬行位移隨時間呈線性增長趨勢。這表明機器人爬行過程中速度恒定且運動平穩(wěn)，對不同坡度的斜坡具有較好的適應性。

圖9 機器人在12°斜坡爬行過程Fig.9 The process of the robot crawling on the 12° slope

圖10 不同斜坡下的運動性能Fig.10 Creeping performance of the robot prototype

表2對比了機器人在仿真環(huán)境下和現(xiàn)實環(huán)境中的平均速度，總體而言，機器人的運動速度隨坡度的增加而減慢。樣機在平面爬行時，機器人前進速度高達3.375 cm/s，機器人在12°斜坡爬行時速度減低至2.833 cm/s。在此需要說明，由于機器人足端與斜坡摩擦力有限，本文只驗證了機器人在不超過12°斜坡下的運動性能，以防止其在爬行過程中出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。

表2 樣機的平均速度與仿真結(jié)果對比Tab.2 Comparison of creeping speeds between robot prototype and simulation results

4.2 水下實驗

為評估兩棲機器人樣機在矢量推進器驅(qū)動下的多自由度運動性能，本文進行了包括直行、旋轉(zhuǎn)、上浮和下潛在內(nèi)的水下實驗。實驗均在一個小型戶外泳池中進行，其長寬高分別為4 m×1.5 m×1.6 m。

對于水下直行運動，機器人6條運動肢可調(diào)整為圖5a所示的姿態(tài)，通過驅(qū)動不同矢量推進器并控制其噴水電機轉(zhuǎn)速，即可調(diào)整兩棲機器人樣機在水下以不同速度進行直行運動。根據(jù)圖5a所示的矢量推進器姿態(tài)，實驗中將只開啟矢量推進器1的驅(qū)動方式稱為模式1；將開啟矢量推進器2和3的方式稱為模式2；將同時開啟矢量推進1、2、3的方式稱為模式3；將矢量推進器1、2、3、4、5同時工作的方式稱為模式4。機器人樣機將分別在這4種驅(qū)動模式下進行直行運動，直行距離為2 m。在每種驅(qū)動模式下，矢量推進器的噴水電機將分別以2500，2750，3000，3250，3500 r/min的轉(zhuǎn)速為機器人提供動力，其中3500 r/min是噴水電機的額定轉(zhuǎn)速。圖11a展示的是樣機在模式3下且噴水電機以額定轉(zhuǎn)速輸出時機器人直線前行的過程。上述每組實驗將重復5次用以統(tǒng)計機器人的平均速度。在4種驅(qū)動模式下樣機的平均速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖11b所示，實驗結(jié)果表明，不同的矢量推進器驅(qū)動模式配合噴水電機轉(zhuǎn)速控制可幫助兩棲機器人樣機在水下獲得較廣的直行速度范圍。其中，在模式1下若矢量推進器的噴水電機以2500 r/min運行時，機器人的平均運行速度只有6.9 cm/s；在模式4下，若矢量推進器的噴水電機工作在額定轉(zhuǎn)速下，它提供的推力可使機器人樣機以20.4 cm/s的平均速度直行。此外，機器人樣機在直行運動中這種低速與高速的轉(zhuǎn)換只需改變矢量推進器的驅(qū)動模式和噴水電機的轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)，控制過程相對簡便。

(a)機器人直行過程(模式3，額定轉(zhuǎn)速)

(b)不同模式不同轉(zhuǎn)速下的平均速度圖11 機器人水下直行實驗Fig.11 Experiment of robot prototype moving forward

機器人樣機在水下實現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)運動，可參考圖5b所示的矢量推進器的姿態(tài)。由于運動肢與其初始位置的夾角θ不同，因此其每組矢量推進器在機身產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不同，這將影響到機器人在原地轉(zhuǎn)動的速度。考慮到每條運動肢在基節(jié)關(guān)節(jié)處的機械結(jié)構(gòu)約束，其活動范圍相對于初始位置最大轉(zhuǎn)動為±60°，所以實驗中分別選取了15°、30°、45°、60°四種情況，測試機器人樣機在噴水電機額定轉(zhuǎn)速下原地旋轉(zhuǎn)情況。在每組實驗下，機器人樣機旋轉(zhuǎn)4 s并通過自身搭載的陀螺儀記錄其角度，每組實驗重復5次。圖12a展示了運動肢與其初始位置的夾角θ為60°時機器人樣機原地逆時針旋轉(zhuǎn)4 s的過程，不難發(fā)現(xiàn)由于機器人矢量推進器的姿態(tài)呈中心對稱，因此其機身所受合力可使其在靜水環(huán)境下原地旋轉(zhuǎn)。圖12b統(tǒng)計了機器人樣機在運動肢與其初始位置的夾角θ為15°、30°、45°和60°時旋轉(zhuǎn)角度與時間的關(guān)系。圖12b所示的數(shù)據(jù)和實驗預期一致，隨著運動肢與其初始位置的角度增大，矢量推進器在機身產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩增大，因而旋轉(zhuǎn)角速度也隨之增大，在夾角θ為60°時機器人樣機的最大旋轉(zhuǎn)角速度可達44.5°/s。

(a)機器人旋轉(zhuǎn)過程(θ=60°)

(b)機器人旋轉(zhuǎn)時其角度變化圖12 機器人水下旋轉(zhuǎn)實驗Fig.12 Experiment of robot prototype rotating

基于圖5c和圖5d所示的矢量推進器姿態(tài)，機器人樣機在水下上浮、下潛的運動過程如圖13a所示。機器人在保持機身穩(wěn)定的前提下，經(jīng)過3 s可從距離水面51 cm處上浮至距離水面13.8 cm處。利用位于機器人機艙底部的壓力傳感器，圖13b展示了上浮和下潛過程中樣機當前距離水面深度隨時間變化關(guān)系，該曲線在樣機上浮過程中基本呈線性分布，這表明其運動具有較好的平穩(wěn)性。

(a)機器人上浮下潛過程

(b)上浮下潛時機器人距水面深度變化圖13 機器人上浮下潛實驗Fig.13 Experiment of robot prototype surfing and diving

5 結(jié)論

本文基于部分仿生的設計思想研發(fā)了一款水陸兩棲六足機器人。結(jié)合機器人的機械與電氣設計，本文對兩棲機器人進行陸地和水下的運動規(guī)劃，并利用ADAMS運動學仿真，驗證了機器人在不同斜坡路面爬行過程中的機身穩(wěn)定性。為進一步評估機器人運動特性，本文搭建了機器人樣機并進行性能測試實驗。在陸地實驗中，本文選取與仿真環(huán)境相同坡度的斜坡進行測試，實驗結(jié)果表明機器人運動穩(wěn)定且對不同坡度有較好的適應性。在水下實驗中，通過配置矢量推進器的位姿，機器人實現(xiàn)了包括直行、旋轉(zhuǎn)、上浮和下潛在內(nèi)的多自由度運動，驗證了它在水下運動的平穩(wěn)性與靈活性。針對機器人應對陸地、水下及水陸過渡環(huán)境中的各項挑戰(zhàn)，后續(xù)將在已搭建好的水陸兩棲機器人平臺上采用機器視覺等手段，實現(xiàn)水陸運動模式的自動切換并完成具有自主巡航功能的機器人運動控制策略。