一种蛇怪蜥蜴仿生机器人及其设计方法

1.本发明涉及一种可在水面运动的仿生双足机器人，能够携带设备进入危险有害水域，完成水域环境监测、搜救救灾等任务，或利用自身噪声接近自然声的特点，应用于军事侦察等场景。


背景技术：

2.仿生机器人已经成为全世界机器人领域的研究热点，而双足机器人又是机器人领域中的重点和难点。仿生双足机器人的研究发展至今，对仿生对象的研究方法和分析理解水平已经达到较高水平。就蛇怪蜥蜴而言，目前已经较深层次地分析了蛇怪蜥蜴在水面以上的运动方式和平衡机理，对于蛇怪蜥蜴运动过程中的各关节运动轨迹、速度加速度等参数有丰富的实验数据记录，为研制蛇怪蜥蜴机器人准备了充分的参考资料。
3.在全世界范围内，水上机器人的研究已经取得较多成果，使用四足、六足等行进方式的足式机器人技术已趋成熟。但受限于电机功率和能量密度，以及平衡控制策略方面的不足，不依靠浮力的水上双足机器人至今没有出现。
4.随着电机、电池技术的进步，以及平衡控制理论不断取得新的进展，以蛇怪蜥蜴为仿生对象研制仿生双足水上机器人的条件已经成熟。


技术实现要素：

5.本发明为解决现有技术不能有效解决的问题而提供一种使用新型工作原理的水上机器人及其设计方法，通过模仿蛇怪蜥蜴的运动方式和平衡机理，来为水上机器人提供一种新的运动方式和控制策略。
6.为实现本发明目的而采用的技术方案是：一种运用新型运动机理的蛇怪蜥蜴机器人及其设计方法，其特征在于，模仿一种能够在水面以上快速奔跑的动物，即蛇怪蜥蜴，通过借鉴蛇怪蜥蜴的运动方式和原理，实现人造机器人在水面以上利用运动产生的与水相互作用力而非浮力进行运动的功能。所述蛇怪蜥蜴机器人主要包括供电系统、腿部运动机构、姿态传感器、旋转编码器、尾舵和控制系统几部分。所述蛇怪蜥蜴机器人采用300mah 3s聚合物锂电池供电，电池通过杜邦线对驱动腿部运动的电机、姿态传感器、旋转编码器和用于控制机器人的单片机供电。腿部运动机构由2750kv 740w直流无刷电机驱动，电机输出轴通过一组1：0.32减速比的齿轮减速器向腿部机构曲柄传动。所述蛇怪蜥蜴机器人采用双足式运动原理，腿部机构为单自由度六杆机构，以曲柄为原动件，曲柄做整周转动带动摇杆摆动，实现脚掌以闭环轨迹运动，且在周期内处于水面以下的部分进行一定角度转动，以实现向后拨水的动作，将水体提供的作用力最大化，保证所述蛇怪蜥蜴机器人处于水面以上进行正常运动。
7.所述蛇怪蜥蜴机器人的运动控制采用负反馈控制策略，即通过姿态传感器监测机器人在各方向上的运动速度、加速度、转动角速度、角加速度，将以上数据传输给机器人机身上安装的单片机，单片机通过计算得出维持平衡状态或纠正偏转所需的电机转速和腿部
机构运动频率，同时通过esc电调向电机发送控制信号，以调节电机转速。将一个测速齿轮与腿部机构曲柄齿轮以1：1传动比啮合，旋转编码器可以通过监测该测速齿轮的转速获取腿部机构的实际转速信息，并将数据回传给单片机，与给定转速值进行比较，实现反馈调节，直至腿部机构实际运动频率达到单片机给定运动频率。该过程完成后继续监测机器人的姿态数据，如此反复，保持机器人正常运动。
8.尾舵包括水平舵和垂直舵两部分，与机器人机身完全固连，位置保持在水面以下。在机器人运动过程中，随着机器人机身的摆动，尾舵与周围水体存在相对运动，利用水体对尾舵的阻力，起到阻碍机器人向某一方向偏转或倾覆的作用。其中水平舵舵面与水面接近平行，作用是提高机器人在横滚方向的稳定性，垂直舵舵面与水面垂直，与机器人前进方向平行，起到提高机器人左右偏摆稳定性的作用。
9.所述蛇怪蜥蜴机器人的创新点在于：1.现有在水面以上运动或作业的机器人均为利用浮力保持在水面以上，所述蛇怪蜥蜴机器人则不借助浮力，保持在水面以上的升力完全由机器人腿部机构踩水产生的相互作用力提供，实现了一个重力远大于浮力的物体，利用自身运动，从水体获得保持在水面以上并向前运动所需的力，且不发生倾覆的功能。2.现有在水面以上运动或作业的机器人多为四足或六足运动方式，机器人所受外力的合力始终经过机器人质心。所述蛇怪蜥蜴机器人则采用双足运动方式，受到来自水体的外力始终不通过机器人质心，对机器人平衡控制提出了较大挑战。机器人在运动过程中的平衡控制，采用机器人姿态-姿态与腿部机构运动动力学关系-电机转速的闭环控制策略，通过调整电机转速和腿部机构运动速度，影响水体对机器人腿部机构的作用力，进而实现了一种双足机器人在水面以上的平衡控制，对水上机器人的平衡控制提出了一种新的策略和方法。
具体实施方式
10.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：参阅图1，所述蛇怪蜥蜴机器人主要包括尾舵1.1、电池1.2、姿态传感器1.3、旋转编码器1.5、腿部运动机构1.6和控制系统几部分。所述蛇怪蜥蜴机器人的组装围绕着碳纤维机架展开。碳纤维机架为一个厚1.5mm的碳纤维板，在板材上加工出用于安装各种部件的槽位。在各部件位置安排上，重量较大的电池1.2、电机1.7的位置安排在偏下部分，有利于保持机器人运动过程中的平衡，重量较轻的姿态传感器1.3、单片机1.4、旋转编码器1.5安排在偏上部分。在保证重心偏下的原则的基础上，各部件的位置尽可能紧凑，使质量分布集中，提高空间利用率。
11.参阅图2，所述蛇怪蜥蜴机器人腿部机构为单自由度六杆机构，原动件为曲柄2.1，曲柄轴2.8和摆杆轴2.7与机架固连，与机架保持垂直。曲柄2.1做整周转动带动连接后撑杆2.6和摆杆2.8做一定角度范围内的往复运动，摆筒2.4为一根空心碳纤维管，摆杆2.8为不锈钢杆，可以在摆筒2.4中伸缩，相对摆筒2.4做直线往复运动。摆筒2.4相对膝关节铰链2.3做轴向固定，可以绕膝关节铰链2.3轴线自由转动。腿部机构各杆长度和布置可以实现所述蛇怪蜥蜴机器人脚掌轨迹和姿态变化较好地拟合自然界中蛇怪蜥蜴在水面运动时的轨迹和姿态变化，且保证线速度最大位置为接近水面上方、即将入水的位置，以实现有效获取保持在水面以上所需的升力。
12.参阅图3，所述蛇怪蜥蜴机器人尾舵包括水平舵3.1、垂直舵3.2和尾舵连接件3.3共三部分。在所述蛇怪蜥蜴机器人向前运动时，水体冲击水平舵3.1曲面，产生一个向上分力。当尾舵开始向上离开水面时，露出水面部分的重力和减小的水体向上作用力使尾舵回落，整个尾舵保持在上沿基本与水面平齐的位置。在所述蛇怪蜥蜴机器人绕前后轴线发生横向滚转时，水平舵3.1左右两翼的其中一侧将向下压水，与水体的相对运动会对下压的水平舵施加向上的反作用力，同时水平舵3.1的另一侧向上翘起，部分露出水面，借助重力使尾舵向平衡位置回复，有助于所述蛇怪蜥蜴机器人恢复平衡。由于所述蛇怪蜥蜴机器人在运动过程中为左右脚交替踩水获得前驱力，所以机身会出现绕垂直水面的轴线的左右偏摆。为了减小偏摆幅度，保证所述蛇怪蜥蜴机器人运动过程中的稳定性，尾舵中设计了垂直舵3.2的结构。当所述蛇怪蜥蜴机器人出现左右偏摆，垂直舵3.2会随机身一起绕重心转动，由于与水体存在相对运动，垂直舵3.2将受到水体提供的阻碍偏摆的力，这一作用可通过尾舵连接件3.3和连接尾舵与机身的碳纤维杆传导到机身上，起到保持左右偏摆方向平衡的作用。
13.参阅图4，所述蛇怪蜥蜴机器人的电控部分包括单片机4.1、直流无刷电机4.2、电池4.3、姿态传感器4.4、旋转编码器4.5、esc电调4.7.其中单片机4.1的选型保证引脚功能满足控制需求的原则，选取重量较轻的型号以减小所述蛇怪蜥蜴机器人的负重，选用了arduino nano单片机。直流无刷电机4.2和电池4.3同样选取了功率密度和能量密度高的型号。姿态传感器4.4用于监测所述蛇怪蜥蜴机器人在三个方向上的速度、角度、角速度、加速度、角加速度信息，为平衡控制系统提供判断依据。旋转编码器4.5可以监测测速齿轮4.6的转速，测速齿轮4.6与曲柄轴齿轮以1：1传动比啮合，因此旋转编码器4.5可以直接得到曲柄转速，为平衡控制提供反馈信息。在电控系统各部件的位置布置上，首先保证重心靠下布置，同时尽可能使电线连接方便，避免电线的交错和接线过长。
14.参阅图5，所述蛇怪蜥蜴机器人平衡控制的核心是控制机器人在绕前后轴线横向横滚的平衡。控制系统通过姿态传感器实时监测机身的滚转角等姿态信息，输入单片机后，单片机利用旋转编码器得出曲柄和腿部机构当前所处的相位信息，可以判断下一踩水时刻是哪一侧脚掌入水，如果向下倾覆的一侧脚掌先入水，则单片机通过预先设定好的程序计算出一个适当高于现有曲柄转速的转速输入值，增大脚掌踩水获得的升力，以帮助机器人恢复平衡。如果另一侧脚掌先入水则相反，尽可能减小踩水对机器人倾覆的加剧效果。调速指令发出之后继续使用旋转编码器监控曲柄转速，比较实际转速与转速输入值，实现反馈调节，直到实际转速等于转速给定值，进入下一循环，再次监测机器人姿态信息，保持机器人平衡。
15.尽管上面结合附图对本发明的优选实例进行了描述，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于上述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
附图说明
16.图1为本发明的外观图；图2为机器人的腿部机构图；图3为机器人尾舵的结构图；
图4为机器人电控部分的硬件结构图。
17.图5为机器人平衡控制策略框图图中各部件的附图标记如下：图1：1.1、尾舵，1.2、电池，1.3、姿态传感器，1.4、单片机，1.5、旋转编码器，1.6、腿部机构，1.7、直流无刷电机图2：2.1、曲柄，2.2、后撑杆，2.3、膝关节铰链，2.4、摆筒，2.5、踝关节铰链，2.6、连接后撑杆，2.7、摆杆轴，2.8、摆杆，2.9、曲柄轴图3：3.1、水平舵，3.2、垂直舵，3.3、尾舵连接件图4：4.1、单片机，4.2、直流无刷电机，4.3、电池，4.4、姿态传感器，4.5、旋转编码器，4.6、测速齿轮，4.7、esc电调。

技术特征：
1.一种运用新型运动机理的蛇怪蜥蜴机器人及其设计方法，其特征在于，模仿一种能够在水面以上快速奔跑的动物，即蛇怪蜥蜴，通过借鉴蛇怪蜥蜴的运动方式和原理，实现人造机器人在水面以上利用运动产生的与水相互作用力而非浮力进行运动的功能。所述蛇怪蜥蜴机器人主要包括供电系统、腿部运动机构、姿态传感器、旋转编码器、尾舵和控制系统几部分。所述蛇怪蜥蜴机器人采用300mah 3s聚合物锂电池供电，电池通过杜邦线对驱动腿部运动的电机、姿态传感器、旋转编码器和用于控制机器人的单片机供电。腿部运动机构由2750kv 740w直流无刷电机驱动，电机输出轴通过一组1：0.32减速比的齿轮减速器向腿部机构曲柄传动。所述蛇怪蜥蜴机器人采用双足式运动原理，腿部机构为单自由度六杆机构，以曲柄为原动件，曲柄做整周转动带动摇杆摆动，实现脚掌以闭环轨迹运动，且在周期内处于水面以下的部分进行一定角度转动，以实现向后拨水的动作，将水体提供的作用力最大化，保证所述蛇怪蜥蜴机器人处于水面以上进行正常运动。2.所述蛇怪蜥蜴机器人的运动控制采用负反馈控制策略，即通过姿态传感器监测机器人在各方向上的运动速度、加速度、转动角速度、角加速度，将以上数据传输给机器人机身上安装的单片机，单片机通过计算得出维持平衡状态或纠正偏转所需的电机转速和腿部机构运动频率，同时通过esc电调向电机发送控制信号，以调节电机转速。将一个测速齿轮与腿部机构曲柄齿轮以1：1传动比啮合，旋转编码器可以通过监测该测速齿轮的转速获取腿部机构的实际转速信息，并将数据回传给单片机，与给定转速值进行比较，实现反馈调节，直至腿部机构实际运动频率达到单片机给定运动频率。该过程完成后继续监测机器人的姿态数据，如此反复，保持机器人正常运动。3.尾舵包括水平舵和垂直舵两部分，与机器人机身完全固连，位置保持在水面以下。在机器人运动过程中，随着机器人机身的摆动，尾舵与周围水体存在相对运动，利用水体对尾舵的阻力，起到阻碍机器人向某一方向偏转或倾覆的作用。其中水平舵舵面与水面接近平行，作用是提高机器人在横滚方向的稳定性，垂直舵舵面与水面垂直，与机器人前进方向平行，起到提高机器人左右偏摆稳定性的作用。4.所述蛇怪蜥蜴机器人的创新点在于：1.现有在水面以上运动或作业的机器人均为利用浮力保持在水面以上，所述蛇怪蜥蜴机器人则不借助浮力，保持在水面以上的升力完全由机器人腿部机构踩水产生的相互作用力提供，实现了一个重力远大于浮力的物体，利用自身运动，从水体获得保持在水面以上并向前运动所需的力，且不发生倾覆的功能。2.现有在水面以上运动或作业的机器人多为四足或六足运动方式，机器人所受外力的合力始终经过机器人质心。所述蛇怪蜥蜴机器人则采用双足运动方式，受到来自水体的外力始终不通过机器人质心，对机器人平衡控制提出了较大挑战。机器人在运动过程中的平衡控制，采用机器人姿态-姿态与腿部机构运动动力学关系-电机转速的闭环控制策略，通过调整电机转速和腿部机构运动速度，影响水体对机器人腿部机构的作用力，进而实现了一种双足机器人在水面以上的平衡控制，对水上机器人的平衡控制提出了一种新的策略和方法。

技术总结
本发明提供一种可在水面运动的仿生双足机器人，能够携带设备进入危险有害水域，完成水域环境监测、搜救救灾等任务，或利用自身噪声接近自然声的特点，应用于军事侦察等场景。应用于军事侦察等场景。应用于军事侦察等场景。


技术研发人员：宋智斌 赵竞夫 侯振民 詹毓靖 边臣雅 戴建生
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/8/14