水陸兩棲仿生海龜機器人設計與分析

丁鈺騏，耿興華，周思衡，王野舟，石孟，施凱祥

（大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116023）

0 引言

隨著機械、電子、計算機和人工智能等學科的發展，機器人技術已從制造業發展至諸如建筑、救援、軍事和醫療等非制造業，但是目前大多機器人受工作環境限制較大，例如水下機器人大多不具備陸上行進功能[1]，導致使用該類機器人時需將其運送至指定水域后進行作業，完成作業后也需設備對其進行打撈。為了解決上述問題，學者們參考多種動物的運動方式，設計了水陸兩棲仿生機器人。蔣波等[2]參考蛇的運動原理設計了一臺水陸兩棲蛇形救援機器人，利用蛇的蠕動方式，實現水陸行進功能，具有較高的靈活性。因兩棲機器人還需要應對斜坡等地形，相比于蠕動行進，采用腿式行進具有更高的穩定性。毛潤澤等[3]將海豚的水中游動方式與蜥蜴的陸地行走方式相結合，設計了一臺水陸兩棲新型仿生無人遙控潛水器，但魚尾擺動的運動方式載體穩定性較差，影響其水下作業性能。為此，有學者采用穩定性更高、更易于控制的噴射推進方式，王宇等[4]結合六足昆蟲的生理特性與烏賊的噴射推進方式設計了一臺水陸兩棲六足機器人，實現水下多姿態穩定控制。但水下噴射推進方式又限制了仿生機器人的起動、加速性能和運動靈活性。

水陸兩棲仿生機器人的運動機構、推進方式、水陸形態轉換方式等因素都會影響兩棲功能實現效果[5]。由于海龜兼具水下游動與陸上行進能力，而其水下行進方式——撲翼推進運動又具有顯著優越性：其融合了鳥類飛行和魚類游動兩種運動特性，但又區別于昆蟲飛行的高頻氣動特性和魚尾擺動的單驅動特性[6]，盡管此類撲翼動物體形較大，但具有爆發力強、機動性高、穩定性好等特點[7]。因此，面對上述挑戰，針對仿生機器人對水陸工作環境的適應性問題，本文通過對海龜撲翼運動特點和水陸運動轉換方式的分析，基于仿生學方法，設計了一臺水陸兩棲仿生海龜機器人；分析仿生機器人在撲翼運動過程中水翼轉角的變化特性；構建水翼外板水下受力模型，針對水下撲翼運動中關鍵零件的受力情況，進行流固耦合力學仿真分析和優化；并通過樣機試驗驗證所設計的水陸兩棲仿生海龜機器人構建的合理性。

1 水陸兩棲仿生海龜機器人方案設計

1.1 海龜兩棲運動分析

海龜水下行進時，主要由前水翼撲翼運動提供動力。撲翼運動可分為兩階段：1）水翼垂直于前進方向并快速向后劃水，提供前進動力，如圖1（a）所示；2）水翼平行于前進方向并緩慢向前劃水，流體阻力較小，如圖1（b）所示。

圖1 水翼形態變化

海龜上岸爬行時，水翼的展開狀態（如圖1（c））轉換為折疊狀態（如圖1（d）），縮短水翼與地面接觸點和身體重心的距離，便于陸上爬行[8]。

1.2 水陸兩棲仿生海龜機器人總體方案設計

該仿生機器人的仿生重點是前水翼撲翼運動和前水翼水陸形態轉換方式。同時，該仿生機器人還具有轉向和沉浮功能。真實海龜的轉向通過前水翼不對稱運動實現[9]，考慮到仿生機器人兩水翼獨立運動時，機構穩定性難以保證，因此合并了兩套水翼驅動機構，使兩水翼同步運動，保證了機構穩定性，通過后腿翻轉機構實現仿生機器人的轉向。真實海龜的沉浮運動通過改變水翼攻角實現，為簡化前水翼機構，采用重心調節機構改變仿生機器人傾角，進而改變前水翼攻角，實現沉浮運動。

根據上述分析，設計了水陸兩棲仿生海龜機器人（如圖2）。該仿生機器人運動機構包括驅動水翼進行撲翼運動的撲翼傳動機構、可進行水陸姿態切換的可變形自鎖水翼機構、實現轉向的后腿機構和調節海龜重心以實現沉浮的重心調節機構。

圖2 兩棲仿生海龜機器人

2 機械結構設計

2.1 撲翼傳動機構

撲翼傳動機構由中央平面四連桿機構和兩側SRRR空間連桿機構組成，將電動機輸出軸的勻速轉動轉換為撲翼運動，具體結構如圖3所示。

圖3 撲翼傳動機構結構

平面四連桿機構將輸入連桿的勻速轉動轉換為輸出軸具有急回運動特性的類橢圓運動。該機構由多個連桿零件構成，為了提高強度和穩定性，連桿零件均為雙層結構，每個轉動副由兩個軸承確保穩定性。為了使該機構左右受力對稱，以保證水翼運行平穩，選用雙軸伸直流減速電動機，通過左右兩組齒輪將電動機輸出轉矩傳遞至輸入連桿的左右兩側。SRRR空間連桿機構將平面四連桿機構輸出軸的類橢圓運動進一步轉化，使水翼向后劃水時速度達到最大值，且水翼平面與海龜前進方向垂直，最大化水翼推力。

2.2 可變形自鎖水翼機構

該機構由平面五連桿機構和自鎖彈簧組成，水翼分為水翼肩板、水翼外板和水翼骨架，水翼外板由水翼骨架固定。仿生機器人水下行進時，水翼處于游動展開狀態，如圖4（a）所示，前進推力主要由水翼外板提供。海龜上岸后的首個撲翼周期中，當水翼末端運行至最低點時，水翼外側的A點觸地，產生地面支持力，機構克服自鎖彈簧回復力開始變形，當變形通過自鎖臨界點后，機構轉換至爬行折疊狀態[10]，如圖4（b）所示。變形過程中，水翼外板向上旋轉離地，水翼肩板向下旋轉至前端觸地，爬行時提供摩擦力使海龜前進。自鎖彈簧可保證水翼穩定地自鎖于游動或爬行狀態，從游動狀態切換至爬行狀態時，只需保證水翼外板下降觸地后，繼續下降一段較短的距離，使連桿機構運動經過自鎖臨界點，即可切換至爬行折疊狀態。

圖4 可變形自鎖水翼機構結構

2.3 后腿機構

后腿機構由平行四邊形機構和左右兩個RSSR空間連桿機構[11]組成，具體結構如圖5所示。平行四邊形機構首先將后腿舵機輸出軸的轉動傳遞至左、右腿的空間連桿機構主動連桿，通過空間連桿機構帶動左、右腿翻轉，當空間連桿機構主動桿轉至左（右）極限位置時，上方連桿向下轉至最低處，后腿向左（右）擺至最大角度，且接近豎直狀態，使海龜尾部獲得橫向沖量，實現轉向。海龜直行時，后腿處于中間位置，且近似平行于水平面，不產生橫向沖量。該機構與傳統船舵系統相比，后腿動作更接近真實海龜。

圖5 后腿機構結構

2.4 重心調節機構

重心調節機構由步進電動機、同步輪與同步帶、導軌與滑塊和移動配重等組成，具體結構如圖6所示。步進電動機驅動同步輪，通過同步帶帶動移動配重在導軌上前后移動，改變仿生機器人的重心與浮心相對位置關系，從而改變其水下俯仰角[12]，水翼攻角隨之改變。同時保證仿生機器人所受浮力與重力相等，在靜水中處于懸浮狀態，即可通過水翼攻角的變化實現仿生機器人的上浮或下沉。

圖6 重心調節機構結構

3 運動特性及力學分析

3.1 水翼傳動機構運動仿真

使用Inventor軟件對水翼傳動機構進行運動仿真，以分析其運動特性。分析圖7（a）和圖7（c）平面四連桿機構輸出軸的軌跡和速度曲線，可看出平面四連桿機構輸出軸運動至A點時，速度達到最大值，此時水翼向后劃水，獲得最大沖量推動海龜前進。分析圖7（b）和圖7（d）水翼末端和平面四連桿機構的軌跡和速度對比曲線，可看出SRRR空間連桿機構將平面四連桿機構輸出的類橢圓運動轉化為了撲翼運動，并使運動速度進一步提高，驗證了該機構可實現撲翼運動。

圖7 水翼末端軌跡與速度傳動過程對比圖

3.2 水翼轉角計算與分析

撲翼運動是實現水下行進的關鍵運動，為此對水翼轉角進行計算與分析。如圖8所示，水翼進行撲翼運動時有兩個自由度：一是繞軸1的公轉運動，公轉轉角θ3為軸2在水平面上的投影與海龜前進方向的夾角；二是繞軸2的自轉運動，自轉轉角β為水翼平面與軸2和海龜前進方向確定平面的夾角。因此水翼運動可由θ3和β關于輸入連桿轉角α的函數來描述。

圖8 水翼自由度示意圖

首先通過平面四連桿機構的幾何關系計算其與SRRR空間連桿機構連接點P的位置坐標。如圖9所示，設AB、AC、CD、BD、PC、PD長度分別為L01、L1、L2、L3、L4、L5，三角形 板 頂 角γ1、γ2，AB、CD、BD與水平面夾角分 別 為γ0、θ1、θ2。由封閉矢量法[13]得方程組：

圖9 撲翼傳動機構簡圖

可解得θ1、θ2。

求出P點坐標為：

式中：

通過SRRR 空間連桿機構幾何關系計算θ3、β。設EF、FG長度分別為L6、L7，軸2與水平面夾角為γ3，軸1與軸2交點為（L04，L02，－L03），EF、FG與垂直于仿生機器人前進方向的平面所成夾角分別為θ4、θ5。由封閉矢量法得方程組：

可解出θ3、θ4、θ5，代入得L6和L7表達式：

由于EF、FG由轉動副相連，軸2與L6和L7所確定的平面同步轉動，因此水翼平面始終與該平面呈恒定角度，設為水翼安裝角度γ4。得水翼自轉角度：

代入實際機構參數，使用MATLAB 進行方程求解和函數計算后，分別繪制出水翼公轉角度θ3和自轉角度β關于輸入連桿AC轉角α的函數圖像，如圖10（a）和圖10（b）。

圖10 水翼公轉自轉角度曲線分析

分析水翼公轉與自轉角度函數圖像，可得水翼運動分為3個階段：第一階段如圖10（c）所示，公轉角度為負，自轉角度較大，在80°到100°之間，水翼向后劃水且水翼平面與前進方向大致垂直；第二階段如圖10（d）所示，公轉角度約保持在0°，主要進行自轉角度變化，使水翼平面穩定翻轉至與前進方向平行；第三階段如圖10（e）所示，公轉角度為正，自轉角度約為0°，使水翼向前劃水時流體阻力較小。因此該機構能夠模擬真實海龜的撲翼推進運動。

3.3 電動機轉矩計算與分析

電動機所需提供的轉矩由水翼劃水時水的反作用力決定，為便于研究，將水的作用力等效為作用于水翼平面形心的集中載荷，設水翼形心至軸1的距離為L8，至軸2距離為Δl，水翼面積為S。由于水翼同時參與公轉和自轉運動，而只有垂直于水翼平面的速度分量對流體起推動作用。為此推導出水翼垂直于該平面方向的速度分量和水翼推進力公式如下：

設平面四連桿機構中P點受L3所提供的約束力F=Fx+Fy。對機構進行受力分析，得

對平面四連桿機構中的三角形板進行受力分析，設齒輪轉動比為i，得電動機需提供轉矩為

代入實際參數，使用MATLAB軟件計算后，繪制電動機需提供轉矩M關于輸入連桿轉角α的圖像如圖11所示，電動機需提供最大轉矩為0.022 N·m。5840-3650直流無刷減速電動機在所需轉速下額定轉矩為3.92 N·m，可安全驅動撲翼運動。

圖11 電動機轉矩曲線

3.4 配重安裝位置計算與分析

為了有效實現上浮和下沉功能，需要合理配置仿生機器人內部的固定配重，使其重心位置合理。規定移動配重最大移動距離為250 mm；仿生機器人所受浮力一定，因此懸浮條件下總質量一定；且移動配重移動至極限位置時，規定俯仰角為45°。選擇3個主要設計參數：固定配重質量、重心浮心間距和移動配重質量。進行計算和繪圖分析，以確定固定配重安裝位置。由重心計算公式可得固定配重及其位置坐標關系式為

其中，規定x軸方向為仿生機器人前進方向，y軸方向為仿生機器人高度方向，坐標原點為浮心位置，pw為固定配重質量，px、py為固定配重重心坐標，aw為總質量，kw為框架質量，kx、ky為框架重心坐標，rx、ry為移動配重重心坐標，dx為移動配重移動距離。

整體重心浮心間距與固定配重位置坐標關系為

其中，ay為平衡時的整體重心的y坐標。

移動配重與固定配重質量關系為

代入實際參數使用MATLAB軟件計算后，繪制圖12所示的重心模擬分析圖。

圖12 重心模擬分析圖

如圖12（a）所示，固定配重離浮心越遠，所需質量越小。如圖12（b）中曲面所示，固定配重在y方向離浮心越遠，在x方向離浮心越近，重心浮心間距越小，仿生機器人越不穩定，受擾動易傾覆。規定重心浮心間距大于15 mm，即圖中深色平面下方區域。如圖12（c）中的曲面所示，為移動配重質量，規定其小于10 kg，即圖中深色平面下方區域。

根據上述兩個約束條件，即圖12（b）和圖12（c）中的平面曲面交線，并且固定配重需安裝于浮心下方，進行線性規劃分析，如圖12（d）所示，固定配重位置坐標需位于線1下方，線2下方，線3上方，即圖中圓點處三角形區域。最終選擇固定配重位置為（-20 mm,-15 mm）。

4 關鍵零部件力學分析及優化

4.1 水翼外板形變與應變情況動力學仿真

使用有限元分析平臺ANSYS與計算流體力學分析軟件Fluent，對水陸兩棲仿生海龜機器人鋁合金材質水翼外板零件進行流固耦合力學分析[14]。

參考海龜水翼運動的典型參數，取水翼拍動角速度為2.09 rad/s[15]，仿真計算時步為0.01 s，經過仿真計算得到水翼外板形變云圖與應力分布云圖，如圖13所示。

圖13 水翼外板形變云圖和應力分布云圖

圖13（a）中，水翼外板形變從翼根至翼尖逐漸增大，翼尖處形變最大值為17.672 mm。圖13（b）中，水翼外板應力從翼根至翼尖逐漸減小，翼根處應力最大值為53.965 MPa，小于鋁合金屈服強度。但是經計算，水翼外板質量為1.405 kg，質量較大，運動靈活性較差。

4.2 水翼外板材質與結構優化

為了在保證強度的條件下減小水翼外板質量，在原一體式鋁合金水翼外板方案的基礎上提出了另兩種改進方案：一體式亞克力水翼外板和分體式鋁合金骨架水翼外板。3種方案的水翼外板質量如表1所示。

表1 3種水翼外板方案質量kg

方案二為一體式亞克力水翼外板，此方案水翼外板質量較輕，但是由應力云圖（如圖14（b））可見，翼根處最大應力為96.009 MPa，大于亞克力材料屈服強度，方案不可行。方案三將水翼外板分為骨架部分和翼面部分，骨架為鋁合金材質，翼面為亞克力材質。圖14（c）中，亞克力翼面由于受到剛性骨架的約束，翼尖處形變量為19.676 mm，與方案二翼尖處形變量99.582 mm相比明顯減小。圖14（d）中，由于骨架部分剛度較大，水翼外板應力主要集中于鋁合金骨架部分，亞克力翼面部分應力最大值為42.239 MPa，比方案二明顯減小，小于亞克力材料屈服強度。并且剛性骨架部分應力分布較為合理，骨架根部由于面積較大，應力相對較小，骨架末端由于寬度減小，應力增大，最大值為238.54 MPa，小于鋁合金材料屈服強度。同時方案三水翼外板質量比方案一顯著下降，因此選擇方案三為水翼外板方案。

圖14 水翼外板優化方案形變云圖和應力分布云圖

5 樣機測試與問題改進

經過仿真分析和理論計算，對部分機構參數進行優化后，研制出了水陸兩棲仿生海龜機器人樣機（如圖15），并對樣機行了相關試驗測試，如圖16所示，表2為試驗測得樣機主要技術參數。

表2 仿生機器人技術參數

圖15 仿生機器人樣機

圖16 仿生機器人水下與陸上運動試驗

仿生機器人主要功能基本實現：可以實現水下撲翼運動，平穩前進、轉向、沉浮運動，且達到預設水下最大俯仰角45°；可以實現水翼水陸形態切換，并在地面上平穩前進。

同時，在試驗過程中，對發現的問題進行了分析與解決：

1）水下柔性密封膠皮形變情況不一。

由于樣機多處密封膠皮所處水下深度不一，導致不同膠皮內外壓差不同，部分外凸，部分內凹，且膠皮面積較大，變形導致樣機整體形狀變化，浮心位置改變，破壞懸浮穩定性。通過在膠皮外側增加限位擋板，防止膠皮過度外凸。

2）陸上行進時，水翼下端復位后易與地面接觸產生阻力。

由于樣機通過水翼下端與地面間的摩擦力實現陸上行進，水翼下端復位后會與地面接觸，產生阻力并阻礙前進。通過在水翼下端增加單向合頁結構，實現水翼后擺時提供推進力，前擺時不產生阻力。

6 結論

針對傳統機器人在水陸工作環境下的運動適應性問題，基于對海龜撲翼運動特點和兩棲運動實現方式的分析，設計制造了一臺水陸兩棲仿生海龜機器人。

主要設計內容為：完成可變形自鎖水翼機構設計，實現仿生水翼的水陸形態自動轉換，以適應水陸不同環境下的運動需求；通過對機構模型的合理簡化，對水翼轉角和電動機所需提供最大轉矩進行了計算與分析，驗證了該仿生機器人能夠可靠實現撲翼運動，從而實現水下與陸上行進功能；通過流固耦合力學仿真方法分析了水翼外板形變量和應力分布情況，并對其材質和結構進行了優化。最后對試驗樣機進行了性能測試和分析，測試和分析結果表明：研制的水陸兩棲仿生海龜機器人能實現主要功能；對于水下柔性密封膠皮形變情況不一以及地面行進時水翼下端復位后易與地面接觸并產生阻力等問題，提出了解決方案。

未來研究工作可以關注以下三點：1）優化仿生機器人主體與水翼的形狀，減小流體阻力并最大化地提高水下推進效率；2）對仿生機器人進行輕量化設計，最大化地提高陸上行進效率；3）設計可重復使用的密封機構，便于調試工作。