兩棲仿生機械鱷魚的設計及水下應用*

張藝博，李萬鐘，李偉斌

（西安石油大學機械工程學院，西安 710399）

0 引言

廣闊的海洋中蘊含著豐富的資源，在陸地資源已被大量發掘的今天，海洋的戰略地位越來越重要，許多國家將研究重心由陸地轉向了海洋。在充分發掘海洋資源之前，陸地與海洋銜接的板塊是繞不過去的一道坎，必須先對這一領域具備充分的了解；人類進入這樣的未知領域進行實地探測并不現實，使用水下機器人替代無疑是明智的選擇，而單一運動模式的水下機器人又難以勝任這種復雜環境下的工作，面對這種情境，能夠自由切換水陸運動的兩棲機器人較好地解決該矛盾[1]。

世界各國的科研人員紛紛仿照自然生物的運動機理，成功研發出大量具有自然生物運動特點的仿生型水下機器人；我國近40年以來在NSFC（國家自然學科基金委員會）的大力資助下，在水下機器人與兩棲機器人研究領域取得了巨大的突破。哈爾濱工程大學開發的兩棲仿生機械蟹具有8足、24自由度，采用直流伺服電機驅動，以雙四足步態[2]保證仿生機械蟹高速高效的行進，能夠在淺水與兩棲環境實現一定自主性作業；中國科學院自動化研究所研發的多連桿仿生海豚，可實現偏航與俯仰的運動，且首次在水下機器人上實現了混合雜技特技[3]；清華大學、上海交通大學、國防科技大學等都對水下仿生機器人作了較深入的研究，并取得了一定成果；目前國內外對于水下仿生機器人的結構設計和運動特性方面有了一定的研究，但是大多數水下仿生機器人的運動都具有單一性[4]，而目前已有的兩棲仿生機器人包含機動性能差、復雜地形適應性弱、兩棲運動兼顧性差等缺點。

鱷魚經過億萬年的進化演繹，繼承了魚類祖先善水性的特點，又演變出了一套適應陸地生活的新性狀，這種特性為兩棲仿生機器人的設計提供了很好的生物原型。本文以鱷魚為生物原型，設計了一種能夠實現兩棲運動的仿生機器人，致力于能夠更好地融入水下環境，完成水下各項工作，對于科研考察、軍事應用、環境監測領域有著重要的意義。

1 設計思路

對于絕大多數的兩棲仿生機器人，常采用的兩棲運動方式有兩種：槳葉式與波動式。波動式是利用身體或尾部協調擺動前進，采用這種運動方式在陸地上運動時，有較好的越障能力與運動穩定性，但是運動的速度較低且結構復雜，關節多不易實現控制，機動性能差；槳葉式是將螺旋槳推進器與陸地爬行機構組合起來，并且能夠實現爬行和游動兩種運動模式間的自由切換，這種運動方式環境適應能力比較好，在崎嶇不平的地形也能穩定的運動，且運動速度較快。因此本文中仿生機械鱷魚的運動方式采用槳葉式，并選擇STM32 單片機作為仿生機械鱷魚的控制系統。

2 設計分析

2.1 外形仿生設計

仿生機器鱷魚在外形上要滿足盡可能小的形體阻力[5]，沿用仿生學中的類比和模仿的方法，仿照真實生物鱷魚的外形，如圖1所示。

圖1 仿生外殼

考慮到水下環境，材料首先應具有良好的密封和防水性能，仿生機器鱷魚的外殼模型采用樹脂3D打印技術一次成型的流線型剛性外殼，采用剛性外殼不僅可以為內部的控制系統與運動機構盡可能提供大的設計空間，也可以將有限的空間資源運用到亟需的有效負載，同時最大程度簡化系統，增加了系統的可靠性；鱷魚內部為中空腔體，內置系統電源與STM32 單片機，利用熱縮蒙皮作為鱷魚外殼的衣體，使其具有良好的防水性能，如圖2所示。

圖2 仿生機械鱷魚內部構造

2.2 機械設計

驅動系統是仿生機械鱷魚的運力來源，其性能的優劣直接決定了仿生機械鱷魚能否有效的進行運動，為了使鱷魚具有較高的行動速度和良好的機動性，應選擇重量較輕、扭矩較大、反應速度快、可變頻調速、機械效率高的驅動裝置。考慮到鱷魚的爬行方式具有時變性和周期性，因此本文中所設計的仿生機械鱷魚采用電機驅動的方式，如圖3所示。

圖3 仿生機械鱷魚內部整體結構

仿生機械鱷魚的陸地爬行運動主要通過微型130 驅動電機將轉矩輸入齒輪減速箱，經齒輪減速箱多級減速將轉矩傳遞給輸出軸，輸出軸的轉動帶動非同心滾輪作圓周運動，非同心滾輪以間隙配合鉚接于連桿槽孔中，連桿上設有卡槽用以固定肢體連接件防止鱷魚肢體發生周向轉動，非同心滾輪牽引連桿作往復圓周運動，鱷魚四肢通過肢體連接件鉚接于連桿限位孔中，連桿的往復圓周運動驅動鱷魚四肢間的步調協調進而實現鱷魚的搖擺式爬行，如圖4所示。

圖4 齒輪減速箱

如圖5所示，0～3T∕4 時間內連桿的相對運動位置，在驅動電機的帶動下非同心滾輪作圓周運動；0T時刻，非同心滾輪位于圓周最右側；T∕4時刻，非同心滾輪轉過90°帶動連桿運動至圓周最高點，此時鱷魚腹部與地面距離最小；1T∕2 時刻，非同心滾輪轉過180°帶動連桿運動至圓周最左側；3T∕4 時刻，非同心滾輪轉過270°帶動連桿運動至圓周最低點；T∕4時刻后，非同心滾輪回到起始位置，此后過程依次重復循環。

圖5 連桿相對運動位置

當仿生機械鱷魚運動時，會面臨既要陸地爬行又要水中游動的工作環境，這就要求仿生機械鱷魚的水陸運動模式能實現有效的切換，因為水中和陸地的運動環境不同，仿生機械鱷魚采用的驅動方式也不盡相同，這就要求驅動模式能在極短時間內完成轉變；而當采用水陸復合推進機構時，驅動方式的轉變意味著控制系統的參數要在水陸兩種模式之間進行變換[6]，但是如果直接從一種控制模式切換到另一種控制模式時，因其運動慣性的存在，鱷魚的運動方式不可能發生瞬間的轉變，這時就有可能會引起運動機構之間的相互干涉而導致運動失穩，從而達不到預期的運動效果，因此本文中的仿生機械鱷魚采用兩套驅動機構來實現兩棲運動。

為保證仿生機械鱷魚在水下平穩游動，鱷魚需在水體中保持懸浮態，因此其整體密度必須接近液體介質的密度，而仿生機械鱷魚的質心位于腹板后半部分，因此需要附加一定的配重[7]，才能實現上述要求，如圖6所示。

圖6 仿生機械鱷魚質量分布

其質心(xc,yc)計算公式為：

式中：(xc,yc)為質心坐標；xe、ye、xmi、ymi、xwi、ywi分別為系統電源、電機、配重的坐標；me、mmi、mwi、mc分別為系統電源、電機、配重以及質心的質量。

為滿足密度條件，則需下式成立：

式中：Gb為鱷魚的重力；Gw為鱷魚下沉排水的重力；ρw為液體介質（水）的密度；Vw為鱷魚下沉排水的體積。

同時為了避免仿生機械鱷魚在水下產生靜態橫傾角，在設計過程中，各項設備的布置左右對稱，要求保持其重心位于中縱剖面上，遵循這個設計原則，成對的設備以仿生機械鱷魚的幾何中心對稱安裝，基于上述內容，仿生機械鱷魚水下游動的動力來源主要依靠于對稱布置在腹板兩側的一對8520空心杯電機，帶動螺旋槳扇葉為鱷魚在水下的游動提供推進力，如圖7所示。

圖7 8520空心杯電機

2.3 控制系統設計

控制系統以STM32 單片機為核心，通過端子引線與鱷魚體內部各驅動電機建立聯系，實現仿生機械鱷魚的運動控制，通過無線收發模塊對傳感器收集的數據進行分析、傳輸以及數據篩選等功能[8]。

對于運動控制，將相應控制信息傳輸到指定指令接口，驅動微型130 電機與8520 空心杯電機改變其輸出扭矩，并保證輸出一定的有效功率，從而實現鱷魚的前進后退與轉向等運動；在運動的過程中，利用姿態傳感器以及紅外傳感器來實現對運動方式的轉變以及運動方向的更改，同時保證仿生機械鱷魚的姿態平衡并實現水下避障等功能。圖8所示為仿生機械鱷魚總控制結構。

圖8 仿生機械鱷魚總控制結構

3 試驗測試與結果分析

為保證仿生機械鱷魚運動的可靠性，對驅動電機端子電壓與輸出扭矩進行了試驗；通過調節微型130 電機與8520空心杯電機端子電壓，改變電機的輸出扭矩，確定了仿生機械鱷魚輸出最大有效動力時的電壓。

由圖9可知，微型130 電機與8520 空心杯電機端子電壓與輸出扭矩之間有如下關系；微型130 電機與8520空心杯電機的輸出扭矩隨端子電壓的增大先呈上升趨勢，隨電機的端子電壓增大到一定程度時，電機的輸出扭矩開始下降。當端子電壓維持在4.5 V左右時，電機輸出扭矩達到最大，此時仿生機械鱷魚可輸出最大有效動力。

圖9 端子電壓與輸出扭矩關系曲線

4 應用前景

（1）水環境監測

利用水下仿生機器人配備的渾濁度傳感器、溫度傳感器、含氧量傳感器、PH傳感器、葉綠素以及氨氮傳感器等來檢測水環境污染標準的一些參數值[9]，并將傳感器收集的數據在前端經過數據處理，經由中端將這些數據傳輸給終端，可實現定點定域的水環境監測。

（2）水下勘探

流體實時監測和渾濁水體目標探測是目前水下環境探測技術亟待解決的難題[10]，我國近海海域及內水廣泛分布著大量的渾濁水體，這些水域水流復雜、水體高度渾濁、水底地形多變，在這樣的極端環境下，現有的監測設備及目標探測技術無法有效發揮作用，極大的制約了人類在特殊水下環境執行環境勘察、工程施工、水下安保、搶險救援[11]等急難險重任務的能力，而水下仿生機器人具有高機動、低擾動、無污染與高推進效率等特點能夠較好的應對上述惡劣環境。

（3）供水排污管道、河底穿越管線監測

管道在長期服役狀態下，受到腐蝕、沖蝕、摩擦、重壓及外部力沖擊等作用，內壁易產生漏孔、裂紋及壁厚減薄等現象，造成管道破裂失效。一旦管道失效，極易引發嚴重的安全事故，危及人身財產安全，造成巨大的經濟損失，嚴重者將會危害到生態環境安全；由于水下仿生機器人靈活多變，可以到達工作人員無法進入的狹窄或復雜空間進行作業，同時還可攜帶必要的檢測設備自由穿梭，利用水下仿生機器人定期監測可有效避免此類事故的發生。

（4）水工構筑物、基礎設施缺陷檢測與測量

水工建筑物包括大壩、引水隧洞、水庫建筑設施等，水工建筑物的狀態監測對于其能否正常運行有著極其重要的意義，而水工建筑物通常采用定期排水人工檢測的方式，而這種方式存在風險高、效率低等方面的制約，而水下仿生機器人能大幅縮短檢測周期，檢測許多人工無法檢測的部位，確保及早發現問題解決問題[12]。

基礎設施在惡劣的水下環境造成的持續磨損和腐蝕推高了維護成本，這些任務目前主要使用遙控潛水器（ROV）進行，通常需要系繩和人工操作員，或者使用自主水下航行器（AUV），它們的可訪問性和可操作性受到限制，為了降低人工維護風險和維護成本,可利用水下仿生機器人對水下電纜、海上風場、電場、等多種水下基礎設施進行檢查與測量[13-14]。

（5）其他領域

水下仿生機器人未來的另一應用領域是研究使用多水下仿生機器人組成的編隊通過相互協調執行大規模海底監測或探索任務，例如海底測繪、海洋考古學等，水下仿生機器人技術的進步為水下遺產遺址的測繪和記錄提供了高質量的數據采集解決方案[15]。

5 結束語

本文設計了一種能夠實現陸地爬行與水下游動且結構緊湊、成本較低的水陸兩棲仿生機械鱷魚，并對仿生機械鱷魚的爬行機構、游動機構以及控制端進行了系統性的設計；仿生機械鱷魚在運動方面采用了多電機組合的驅動方式，避免了一套復合推進機構在運動切換時導致運動機構之間的相互干涉而引起運動失穩，并對仿生機械鱷魚驅動電機的端子電壓與輸出扭矩進行了測試，得出當端子電壓為4.5 V時，仿生機械鱷魚有效動力達到最大。

在人工控制的基礎之上，添加了姿態傳感器以及避障傳感器，確保仿生機械鱷魚運動的穩定性，實現仿生機械鱷魚的自主巡航及避障，在一定程度上，提高了鱷魚的靈活性；仿生機械鱷魚口腔及周身部位可接入諸類數字傳感器（渾濁度傳感器、溫度傳感器、含氧量傳感器、PH 傳感器、葉綠素以及氨氮傳感器），可使其實現多環境因子的監測。

該仿生機械鱷魚致力于能夠更好地融入水下環境，進而完成各項水下工作，對于科研考察、軍事應用、環境監測、水工構筑物、基礎設施缺陷檢測和測量、供水排污管道、河底穿越管線監測等領域有著重要的意義。