一種水下足式機器人的設計方案研究

李芳野，陳鍇迪，高 飛，張海波，佘麗佳，許 暉，徐 昕

（1.上海航天電子技術研究所，上海 201109；2.西北工業大學 航海學院，西安 710072）

0 引言

隨著人類社會的不斷發展，人類對自然資源的需求不斷增加，在近幾百年的發展過程中，陸地不可再生資源已逐漸走向枯竭。然而，人類發現海洋資源極其豐富，海洋底部除了用于數量龐大的石油、天然氣、煤礦等資源外，甚至還儲藏有大量的可燃冰［1］。因此，合理開發利用海洋資源，將極大地緩解人類目前所面臨的能源短缺問題。

由于受到海洋縱深、海洋環境和海洋地理緯度的影響，人類直接對海洋的探索和綜合觀測的能力受到極大的限制。國外海洋學家提出了無人自主遙感平臺的概念，使其成為探索與開發海洋自然資源的重要工具［2］。科學技術經歷了一個多世紀的發展，涌現了眾多類型的水下機器人。水下機器人的蓬勃發展，一方面克服了由于人類生理因素造成的對浩瀚海洋的恐懼，另一方面為探測與開發海洋自然資源帶來了極大的便利。

但是由于海底流體情況相對復雜，一般會給常規水下航行器的運動控制帶來巨大的挑戰［3］。因此通常要求航行器控制系統具有良好的魯棒性，一方面航行器需要克服水下亂流對機器人本體運動的影響，另一方面有些作業機器人還需要克服機械臂工作時對機身相對靜止姿態的影響。因此，為更好地實現對海底資源的探測與開發，突破復雜地理環境對機器人運動的限制，混合型水下機器人將成為更優的選擇。

目前常見的混合型水下機器人一般以無人潛水器（ROV，remote operated vehicle）為載體，并搭載履帶以實現對水底地面的通過性?？茖W界對傳統的ROV 和履帶式水下機器人的研究已經足夠深入，并且這種機器人的實際應用已經足夠成熟。因此出于科學研究的目的，本文提出一款新概念混合型水下機器人［4-11］。

2018年，由Roque Saltaren等人研發了一款混合型水下機器人，該機器人以猿猴為仿生對象［12］。機器人用24個自由度的液壓機構為各個活動關節提供驅動力，并且搭載了8臺水下推進器實現水下的游動。該機器人可以像ROV一樣在水中自由移動，也可以像猿猴一樣，在水底以兩足姿態走動。2013年中國科學技術大學以AQUA 水下機器人為基礎，研究出了一款基于五連桿機構的可變性鰭-腿兩棲機器人［13］。機器人的可變性鰭-腿機構通過關節處牽引繩的松弛與拉緊，實現了鰭、腿狀態之間的相互切換。在陸地行走時，通過拉緊繩索，鰭-腿機構變成半圓形的腿，可以實現在陸地上的行走與奔跑；在水下游泳時，將鰭內的張緊繩放松，鰭-腿機構變成一條柔性的鰭，通過柔性鰭的劃水運動，來獲得對機器人本體的驅動力。

為克服傳統遙控無人潛水器的局限性，本文設計了一種基于傳統ROV 的水下六足機器人，使其既具備水下航行器水下巡游的特點，又兼具陸地足式機器人地面行走的特點。當水下足式機器人處于巡游狀態時，一方面可以實現傳統ROV 的前進后退、橫移和上浮下潛等運動，另一方面可實現俯仰、偏航、橫滾等動作；當其在水底行走時，它又具備足式機器人的高穩定性、高通過性、強適應性等特點。機器人在水底執行任務時，可以用腿支撐機器人的本體，以減弱水底亂流對機器人姿態的穩定性造成影響［14-15］。

這種水下足式機器人可以滿足水下探測與作業需求的同時，也可以應用于國防建設領域，比如深海偵察、水雷排爆、艦船底部檢查等軍事領域。本文針對該水下六足機器人進行了實驗樣機的總體設計，為未來研究工作奠定基礎。后續將針對不同應用場景的需求設計了幾種行走步態，并利用仿生學原理實現對水下六足機器人運動步態的穩定控制與平滑轉換。這對于研究此類水下足式機器人的實用功能，和完善多足機器人的控制算法有實際的應用意義［16-17］。

1 水下六足機器人總體設計分析

以水下六足機器人作為研究對象，機器人由不同模塊組成，并具備水下探測能力。機器人通過線纜進行供電，利用網線與岸基計算機通信。該水下六足機器人除了具備傳統ROV 的水下巡游功能外，還需具備在水下行走的能力（僅考慮硬質地面），并根據特定工作環境的需要，可以在不同步態模式之間進行切換。

1.1 功能要求

在研究國內外先進水下機器人所具備的性能基礎上，提出了該水下六足機器人應具備的以下基本功能：

1）水下六足機器人具備傳統ROV 的巡游功能，能夠完成六個自由度方向上的運動，包括上浮下潛、前進后退、橫移、偏航、俯仰和橫滾運動。

2）水下六足機器人在水底作業時，能夠在水底行走，同時具備多個行走步態和各個步態之間平滑切換的能力。

3）水下六足機器人利用自身傳感器能與控制系統實時交互，向上位機實時傳輸視頻圖像，并將機器人的深度、高度、姿態和關節角度等數據信息保存到上位機。

1.2 主要參數和技術指標

該水下六足機器人的主要參數如表1所示，其技術指標如表2所示。其中，機身尺寸為機器人軀體的尺寸，整體尺寸為機器人整體的尺寸。

表1 水下六足機器人主要參數

表2 水下六足機器人技術指標

2 水下六足機器人總體結構設計

在設計過程中，通常把水下機器人的結構形式分成兩類：封閉式和框架式?？蚣苁浇Y構對總體設計要求較低，制作成本低，且具備較高的功能擴展性，但流線型較差，通常使用在低速水下機器人。本文所研究的水下六足機器人航行速度（水下巡游和水底行走）要求較低（最大航速約為2kN，可認為是低速運行），對功能擴展性要求較高，故采用框架式結構，以實現方便拆裝、檢修和設備安裝。

2.1 機器人整體結構設計

如圖1（a）所示，為該水下六足機器人的三維結構模型。機器人整體采用框架式結構，搭載8臺BlueROV-T200推進器，其中4臺推進器呈水平斜對角放置，用以提供機器人在水下巡游時水平方向的推力；4臺推進器為垂直方向布置，一方面用以提供機器人在水下巡游時豎直方向上的推力，另一方面用以提供機器人在水底行走時的下壓力。在機器人的兩側，分別裝備了3條C 型腿和3臺腿部驅動電機。

圖1 水下六足機器人結構圖

水下六足機器人的主要組成部分包括推進器、浮力材料、C型腿模塊、控制艙（包括主控系統、驅動系統、通信系統和部分傳感器等）、電源艙和機身。結構布局如圖1（b）所示。

各模塊在水下六足機器人系統中起到如下作用：

1）機身：作為水下六足機器人的軀干結構，安裝并且保護了機器人系統的零部件；

2）C型腿模塊：當水下六足機器人在水底行走過程中，起到支持和驅動水下六足機器人前進的作用；

3）浮力材料：機器人安裝浮力材料，用以給機器人提供浮力補償，使機器人整體在水中呈現零浮力狀態；

4）控制艙：提供水下密封環境，保證內部電子元器件的正常運行。其中控制艙內部的主控系統負責實現機器人的運動，驅動系統負責驅動腿部電機的動力輸出，傳感器負責獲取機器人自身的姿態和水下周圍環境信息；

5）電源艙：對300V 直流電進行變壓，并向機器人各模塊提供24V 和12V 的直流電；

6）推進器：向水下六足機器人提供巡游時的動力和水底行走過程中的下壓力。

2.2 機器人腿部結構設計

為增強水下六足機器人的動平衡性，以及降低機器人的機械加工成本，本文為機器人腿部所設計的C 型腿、電機與減速器、套筒、O 形圈、旋轉變壓器、軸承、驅動器以及其他緊固件均采用相同的設計，C 型腿結構如圖2所示。

圖2 C型腿結構圖

本文初步選用彈性較好的65 Mn鋼材來加工水下六足機器人的C型腿，用以吸收機器人的腿落地時瞬間產生的沖擊，保證機器人在行進過程中機身的穩定性。由于直流無刷電機具有轉矩優異、過載能力強、啟動扭矩大、啟動電流小、可靠性高、體積小等特點，因此選用直流無刷電機為機器人的C 型腿提供驅動力矩。為了精確控制機器人的運動姿態，需要獲取機器人腿部的準確的角度，因此選用旋轉變壓器作為腿部角度傳感器。為了保證機器人腿部能在水下正常的工作，需要對腿部驅動電機、驅動板等電子元器件進行密封處理，故采用套筒對其進行水下環境的密封保護。

根據本文的設計指標，當水下六足機器人在水底行走時四臺垂直布置的推進器共需要產生80N 的垂向力，因此要求機器人腿部材料具有一定的剛性。由于機器人在行走過程中腿部與地面的接觸是非連續的，腿部由擺動到落地的瞬間會產生一定的沖擊。為了降低沖擊力對機器人的影響，并增強機器人行走時的平衡性，因此腿部材料需要具備一定的彈性。

本文設計的水下六足機器人可認為是零浮力，即機器人所受到的浮力與自身重力平衡。因此，當機器人在水下行走時，C型腿所受到的載荷均由四臺垂直布置的推進器產生。根據對機器人的動力學分析可知，當C 型腿處于直立狀態時，單條腿所受到的靜載荷最大，約為40N，此時C型腿所產生的形變量最大。根據機器人整體結構的設計需求，設計C 型腿的直徑為170 mm，寬度為20 mm。利用ANSYS分析不同厚度的C型腿在此工況下所產生的形變與應力，仿真分析結果如圖3所示。具體ANSYS仿真結果如表3所示。

圖3 不同厚度下厚度C型腿的形變與應力分析

表3 不同厚度下的C型腿形變與應力分析結果

根據以上仿真結果和表格數據可知，在該工況下，三種厚度的C型腿最大形變量和最大應力均滿足65 MN 彈簧鋼材料屬性的極限要求。同時，考慮到該水下六足機器人的四臺垂直推進器可產生的最大合力為200N，且在特殊情況下會適當增加推進器的推力。為了避免達到材料的屈服極限，故本文采取厚度為3.5mm 的C型腿。

水下六足機器人在水底行走的過程中，腿部電機的驅動力矩一部分用以克服C 型腿在水中旋轉時產生的流體阻力，另一部分用以克服C型腿與地面接觸時產生的摩擦力。當C型腿接觸地面時，這兩種力會產生耦合，此時分析腿部電機所需的驅動力矩會比較困難。故本文將其解耦，分別進行仿真分析。

為計算C型腿在水中以不同速度轉動所需要的驅動力矩，本文使用FLUENT 軟件，利用計算流體動力學方法（CFD，computational fluid dynamics）對C 型腿進行數值模擬［20-24］。整個流場的計算流域網格如圖4所示，C型腿網格如圖5所示。整體流域的網格數量約為90萬，網格質量約為0.31；C型腿的面網格數量約為6 300，網格質量約為0.27。

圖4 整體流域與網格質量

圖5 C型腿面網格

經CFD數值計算，得到不同速度下的數值模擬結果，如圖6～9所示。

圖6 1r／s時的數值模擬結果

圖7 2r／s時的數值模擬結果

圖8 3r／s時的數值模擬結果

圖9 4r／s時的數值模擬結果

具體FLUENT 仿真結果如表4所示。

表4 不同轉速下C型腿受到的流體阻力

利用MATLAB將表4內的數據進行擬合，擬合所得曲線如圖10所示，并得到C型腿轉速與流體阻力關系方程，

圖10 轉速與流體阻力關系曲線

式中，Mx為流體阻力矩（N·mm），ω為轉速（r／s）。

由式（1）可知，C型腿轉速與流體阻力關系方程為二次函數。因此，可根據此關系式推算C 型腿以某速度轉動時，腿部電機所需要提供的驅動力矩。

根據機器人的受力分析結論可知，當機器人以三足支撐狀態（即三角步態）行走時，腿部電機所需要提供的驅動力矩最大。為獲取驅動力矩的數值，本文用Adams軟件對機器人進行動力學仿真，導入機器人三維模型的Parasolid文件，并設置好相應的阻力參數、材料屬性、碰撞系數等參數，所得仿真結果如圖10與圖11所示。

圖11 水下機器人C型腿驅動力矩分析

當機器人以三角步態行走時，前后腿所需要的驅動力矩如圖10所示。0～1.5s期間，為機器人由初始位置向三角步態調整的階段，在此階段腿部落地瞬間會產生較大的沖擊，因此電機需要提供較大的瞬時扭矩，約為6 100N·mm。1.5～6s為機器人三角步態行走階段，此階段C 型腿落地瞬間電機同樣需要輸出約為的瞬時扭矩2 500N·mm。當腿落地穩定后并與地面產生滾動接觸時，電機需要提供約310N·mm 的驅動力矩。

當機器人以三角步態行走時，中間腿所需要的驅動力矩如圖11所示。0～1.5s期間，為機器人由初始位置向三角步態調整的階段，在此階段腿部落地瞬間會產生較大的沖擊，因此電機需要提供較大的瞬時扭矩，約為5 500N·mm。1.5～6s為機器人三角步態行走階段，此階段C 型腿落地瞬間電機同樣需要輸出約為的瞬時扭矩2 000N·mm。當腿落地穩定后并與地面產生滾動接觸時，電機需要提供約580N·mm 的驅動力矩。

水下六足機器人的電機選型所面臨的問題與其他類型機器人電機選型面臨的問題不同。首先，電機和減速器組合的使用工況是一個運行速度非常大的區間。例如當機器人攀爬臺階或跨越障礙物時，機器人腿部需要低速轉動以產生較大的扭矩；當機器人高速奔跑或以較高的占空比行走時，機器人腿部需要電機提供一般大小的扭矩來產生較高的轉速。而在一些其他電機應用領域，電機在短時間內以空載扭矩和空載轉速運行的案例很少。

綜合考慮機器人C 型腿在水下旋轉和行走所需要的驅動力矩大小，以及C 型腿轉動的速度區間，因此本文選用maxon EC 45flat作為機器人腿部的驅動電機。該電機具有體積小、輸出扭矩大、使用壽命長和耐沖擊等優勢，搭配使用GP 42C行星齒輪減速箱，可實現C 型腿在較大運行速度區間內工作。電機及減速器參數如表5～6所示。

表5 maxon EC 45flat電機參數表

表6 GP 42C行星齒輪減速器參數表

最終，水下六足機器人的C型腿結構如圖12所示。

圖12 C型腿總裝結構圖與實物裝配圖

2.3 機器人腿部密封設計

為保證機器人腿部可以在水下正常、安全、穩定的工作，需要對腿部關鍵部位進行密封設計。C型腿電機的密封設計如圖13所示。

圖13 C型腿電機密封設計

密封分為靜密封和動密封，其中電機套筒端蓋處、電機套筒與旋變套筒連接處均采用靜密封，輸出軸采用動密封。為表示O 形圈的壓縮程度，定義壓縮比例ε，一般取ε＝15～25%［18-19］，壓縮比的表達式為：

式中，d0為O 形密封圈的截面直徑（mm）；h為O 形密封圈溝槽深度（mm）。

O 形密封圈溝槽的設計深度h和寬度b［19］計算公式為：

式中，β為密封圈溝槽的寬度系數，本文取β＝1.3，ε靜＝20%，ε動＝13%。

本文設計水下六足機器人最大工作水深為100m，其最大壓強約為0.98MPa。通常情況，當工作壓強p＜10 MPa時，靜密封和動密封都不需要設置擋圈。根據第六版 《機械設計手冊》，兩處靜密封分別選用69×2.65-GB／T 3465.1-2005O 形橡膠密封圈和51.5×2.65-GB／T 3465.1-2005O 形橡膠密封圈。根據式、便可計算得到溝槽尺寸。

為了防止液體沿著輸出軸進入電機內部，通常采用兩個O 形圈徑向布置的方式進行動密封設計。但是這種設計一方面會產生較大的摩擦力，降低電機的傳動效率；另一方面，這種密封方式耐磨性差，從而降低動密封系統的使用壽命。本文采用C形滑環式組合密封，其具有摩擦力小、耐磨性好、耐腐蝕等優點，以此提高動密封性能。

3 水下六足機器人控制系統方案設計

實現水下六足機器人運動控制的關鍵問題是如何選配合理的機器人硬件系統和如何搭建合理的軟件系統［20-21］?？刂葡到y是機器人的核心組成部分，它起到的作用是接收外部控制命令和環境反饋信息，并讓機器人準確且迅速地運動并完成規定的動作任務。控制系統包含了執行實時任務的微控制器、實現機器人動作的伺服控制系統以及獲取機器人姿態與位置信息和周圍環境信息的傳感器等。由于控制系統是一個龐大的信息處理系統，因此搭建一個實時性好、效率高的機器人控制系統對于實現本文水下六足機器人的運動控制具有重大作用。

3.1 控制系統的總體設計要求

考慮到水下六足機器人是本文的被控對象，并具有多個活動關節。因此控制該機器人運動需要協同各個關節角度之間的關系，才能使得機器人在行進過程中姿態更加穩定。由于機器人的運動方式具有復雜性，因此對于控制系統提出以下要求：

1）關節角度的精確性。本文采用角度控制，因此為實現更協調的運動姿態，腿部電機輸出軸需有靈敏的位置信息傳感器以實現較高的控制精度。

2）關節具有較大的轉速區間。由于機器人需要具有低負載高速奔跑和高負載低速行走的能力，因此機器人腿部關節需要具備較大的調速范圍。

3）關節角度之間的協同。機器人具有6個腿部關節，各個關節角度之間配合的協同性，決定了機器人行走姿態的穩定性。

3.2 控制系統的組織結構設計

根據研究發現動物的運動多數由大腦-神經（脊髓）-肌肉耦聯系統所產生的，脊髓神經發生節律性周期信號刺激肌肉發生節律性運動（如呼吸、心跳、行走等），大腦可對節律運動產生不同程度上的干預［22-24］。利用仿生學原理，本文水下六足機器人的控制系統組織結構采用分層遞階式智能控制系統，如圖14所示，按照功能可將其分為三個部分：組織級、協調級與執行級，與動物的大腦-神經（脊髓）-肌肉系統相互對應。其中結構各層級功能如下：

圖14 水下六足機器人控制系統組織結構圖

組織級與動物的高級中樞對應，相當于大腦，一方面能夠根據需求進行運動規劃，另一方面可以處理外部環境感知信息并對機器人的運動進行相應的調節，最終向協調級發布控制指令。本文水下六足機器人采用岸基PC機作為組織級，向水下六足機器人內部的主控計算機（協調級）發布控制指令。

協調級與動物的低級中樞對應，相當于脊髓內部的中樞模式發生器，用以產生動物的節律運動活動，對底層執行級進行控制。本文采用Raspberry Pi作為節律運動發生控制器，基于CPG 運動控制算法并根據上層協調級指令和底層執行級反饋信號生成水下六足機器人運動步態控制信號，并將該無量綱的控制信號映射到C 型腿的關節角度，根據角度信號值向腿部電機驅動器發布角度控制指令。

執行級與動物的效應器對應，相當于運動神經末梢所支配的肌肉，用以實現運動活動。在本文水下六足機器人中，執行級主要包含電機、旋轉變壓器和電機驅動器。

協調級是整個水下六足機器人運動控制系統中的重要組成部分，也是研究機器人步態控制的核心，包括水下六足機器人的步態生成、速度控制、方向控制和姿態調節等。

3.3 控制系統的硬件設計

圖15為水下六足機器人控制系統的硬件系統結構圖，包含的硬件有：主動計算機、直流無刷電機及其驅動器、推進器、攝像頭、照明燈以及各類傳感器。

圖15 水下六足機器人硬件系統結構圖

1）主控計算機：本文選用Raspberry Pi作為水下六足機器人的主控計算機，其作用是接收頂層PC 機的控制指令、CPG 運動控制算法的解算、向電機發送角度控制指令和采集并處理傳感器信息等。該主控計算機搭載Quad core Cortex-A72（ARM v8）64-bit＠1.5GHz處理器，包含4個USB接口、1個千兆以太網接口、6路串口、40pin GPIO口，滿足機器人使用要求。運行Ubuntu 18.04系統，使用Python編程語言實現對機器人運動步態的控制。

2）直流無刷電機及其驅動器：根據本文章節2.3.2所述，maxon EC 45flat直流無刷電機為水下六足機器人C型腿的驅動電機，選用自制的直流無刷電機驅動器用以控制電機的轉動，并搭配使用旋轉變壓器實現對電機旋轉角度的閉環控制。

3）推進器：為了提供水下六足機器人巡游時的動力以及水底行走時的下壓力，本文選用BlueRobotics公司生產的T200推進器。該推進器供電電壓在7～12 V 之間，最大功率可達360 W，最大轉速可達3 751rpm。在12V電源供電下，最大可以產生正向3.71kgf、反向2.92kgf的推力。

4）深度傳感器：為了獲取水下六足機器人在水中當前工作的深度，需要搭載壓力傳感器，壓力傳感器的工作原理是測量當前水的壓強，然后通過計算轉換成水深。本文選用MPM4730智能壓力變送器作為水下六足機器人的深度傳感器，該傳感器采用壓阻式壓力變送器技術，并結合數字化溫度補償和非線性修正技術，具有高精度（±0.15%）、高穩定性等特點。其體積小、重量輕、量程大，符合本文機器人選型要求。

5）姿態傳感器：本文研究對象為水下六足機器人在水底行走時的運動步態控制，因此獲取機器人的姿態信息可以判斷控制效果。HWT901B 姿態傳感器內置10軸傳感器和RM3100模塊，模塊內含高精度陀螺儀、地磁場傳感器和加速度計。為快速準確求解機器人的實時運動姿態，采用了先進的動力學解算算法和卡爾曼濾波算法。該傳感器測量精度為0.05°，且穩定性高，數據輸出頻率最高可達200Hz，滿足本文水下六足機器人的設計要求。

4 結束語

本文針對水下六足機器人總體方案進行了設計。通過對國內外水下足式仿生機器人的研究，開創性的設計了一款水下六足機器人，使該機器人具備了ROV 的巡游功能和足式機器人的行走特點。該機器人采用了一種兼具車輪和節肢類腿特點的C 型腿，提升了機器人面對水下地面復雜環境的適應性和通過性。在結構設計的基礎上，對C 型腿進行強度分析和水下行走時的力矩分析，選定了彈性腿的材料和確定了腿部驅動電機的選型。同時，設計了水下六足機器人的控制系統，包括控制系統組織結構設計和控制系統的硬件設計。