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环保两栖多用途双足机器人设计研究

2024-09-04 16 上传者：管理员

摘要：环保两栖多用途双足机器人的设计研究，可解决海带人工养殖对海滨环境造成的污染问题。本文通过对液压双足机器人系统设计，进行新产品环境适应性分析及初始设计参数确定，其机械结构设计参考人在游泳运动时的形态及模型分析，对机器人下肢自由度以及尺寸进行确定，优化和改进双腿结构的迭代，对改进效果进行评估。

关键词：
两栖机器人
仿生设计
海带人工养殖
液压伺服
环境适应性分析
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在海藻生长发育过程中，为补充其摄取营养不足，需施用化肥。由于海带收割期或生长期发生病烂时，大量的根、茎、叶落水后，堆积在海滨或岸边，经腐烂、发酵、变质、分解作用，释放出大量营养盐类溶于水中，本文设计的液压双足机器人则可以解决海带人工养殖对海滨环境造成的污染问题。智能仿生海藻修剪机器人的设计方案，旨在通过高度集成的传感器和控制系统，实现自动导航和精确修剪过度生长的海藻，从而提高养殖效率，减少环境影响，并保护海洋生态系统。通过模仿生物机理，该机器人能适应不同海藻环境，还能识别并保护敏感生态区域，提供一种经济高效、安全、环保自动化程度高的解决方案。

1、液压双足机器人系统设计

基于海带养殖场与海底森林的环境相似性，机器人的设计尺寸参考斑海豹作为该环境中生存的体型较大的一种哺乳动物，为满足机器人在水下的通过性，其体型为机器人设计提供尺寸上限。为确保机器人的便携性，其设计尺寸应尽可能小于斑海豹，以便于搬运和操作，同时确保机器人能够在复杂的海底森林环境中有效工作，而不干扰或伤害当地生态系统中的生物。

为满足机器人的两栖运动性能，机器人采用双足设计。双足运动在水中的优势体现在仿生学设计上，能模拟人类或水生动物的游泳动作，如蝶泳。这种设计不仅能减少水下行进时的阻力，提高运动效率，且通过模仿自然界高效的游泳姿态，双足机器人能在复杂的水下环境中保持更好的平衡和稳定性。7岁以上人类身高为128cm～160cm，将此常识应用于机器人设计，腿长应为总身高的50%左右。这样的比例可使机器人在模拟人类步态或进行水下游泳时，达到较高的生物力学效率和能量利用效率。

图1 游泳机器人的分析模型

海带是海藻养殖品种里最大的个体，为了应对海带养殖场收获海带后海带过度生长、堆积的情况，所设计的液压剪切器必须适应海带养殖中最困难的条件。考虑到海带的大小和硬度，以及剪切过度生长的海带和切断海带养殖用的坚韧红棕色绳索的需求，剪切器需要施加足够的力量。从切除海带所需的力量出发，应考虑到养殖设备的额外阻力。相关研究表明，对暴露于波浪区域的大型成熟海带，剪切机需要产生的力在150N～250N之间，而幼年海带则需25N～100N的力。

2、机械结构设计

2.1 机器人游泳运动模型分析

构建的机器人运动的数学模型基于SWUM游泳人体模拟模型，通过相对身体运动（各个关节角度），根据流体力和身体惯性的运动方程求解整个人体的绝对运动，如图1所示。机器人的分析模型，人体被表示为一系列椭圆台，其数量用J表示，其中每个部分的质量由mj表示，xG是人体重心的位移向量，Fj是作用在第J个截断椭圆锥体上的外力向量。绝对坐标系O-xyz中人体平移方向的运动方程为：

式中旋转运动的方程，也可用关于惯性主轴的欧拉方程来表示。流体力的计算包括因流体附加质量产生的惯性力、正向和切向的阻力，以及浮力。

图2 参考人体下肢骨骼的机器人双足自由度分析

2.2 机器人下肢自由度及尺寸分析

为了实现机器人游泳高动态响应的目标，则必须提高其功重比，执行器的功率密度要非常高，但是重量必须要轻；还要具备足够的强度和韧性。对于提升其有效载荷，在水下前进以及在复杂地形上运动的性能有很大帮助。

人体下肢各个关节的自由度（DOF）是至关重要的信息，可指导机器人设计，尤其是模仿人类运动特性的机器人。三维动力学和运动学模型表明，人类下肢可被视为由三个通用旋转关节（髋关节、膝关节和踝关节）连接的四个刚体组成，每个关节可通过三个单轴旋转关节来模拟，从而为下肢提供总共12个自由度，如图2所示。这一模型能够基于标记在受试者身上的九个位置来计算所有九个角度，这些角度随后用于迭代的牛顿-欧拉公式中，以计算步态期间每个关节轴上的力矩。这表明，当设计一个模仿人类游泳运动的机器人时，机器人需要完整的人类运动范围作为设计标准，考虑机器人下肢的自由度和尺寸对于确保其能够模仿人类运动中的复杂动作是非常重要的。

2.3 整体系统设计

针对海藻修剪机器人的开发，其设计要求遵循高效、可靠且易于控制，以应对复杂的水下环境和海藻修剪任务；设计还要遵循模块化和集成化原则，以确保各部件间的良好协调与高效能量传输。双足运输系统组成如下。

(1）机械系统部分：对机械结构的的设计需要遵循轻量化但强度足够的方案，同时要易于维护和修理。还有必须采用创新的结构设计，以保证在减轻整体重量的同时，不牺牲机器人的结构强度。特别是在双足设计和液压剪切器的设计上，需要注意重量与咬合力的平衡，以确保机器人在执行海藻修剪任务时的高效和安全。

(2）电子控制系统：需要高度集成的模块化设计，在可以装入密封桶的前提下，最大限度减轻重量并简化系统架构。通过高速AD/PWM信号转换器和强大的嵌入式计算机，优化系统的处理速度，从而提高控制算法的响应时间和液压执行器的动态性能。

(3）液压伺服系统：需要设计小型化且高功率密度的液压驱动器，以提升动态响应速度和减少自身重量。同时，对于液压剪切器需要优化，用以确保剪切操作的精确度和效率，这对于高效高精度的海藻收割至关重要。

3、双腿结构的迭代改进

3.1 初次迭代设计

在开发机器人的过程中，双腿的设计理念主要受到人类蝶泳技术中海豚踢动作原理的启发。根据相关研究，蝶泳者在水中产生的总推力，主要由双下肢提供，而上肢对总推力的贡献不大。蝶泳中的海豚踢动作尤其依赖于脚部施加的推进力，这一点对于机器人双腿的设计具有重要的启示意义。因此，本研究迭代的主要目标是在保持机械结构设计强度的同时，尽可能减轻液压执行器和机器人腿部结构的重量。轻量化的设计不仅有助于提高机器人在水中的灵活性和效率，还能降低能耗，从而延长其在水中活动的持续时间。而且，人类在水中通过增加踝关节的跖屈的角度来提高游泳速度，这种海豚踢腿运动中脚部施加的推进力对提升游泳速度至关重要，因此，机器人设计中踝关节跖屈方向的灵活性是一个关键指标。较低的踝关节的跖屈方向灵活性与游泳速度的显著提高相关联，所以设计时必须要优化踝关节的设计。

另外，水下海豚踢腿运动的有效执行还需要来自身体的扭矩支持，尤其是髋关节的力量和执行器的扭矩。因为机器人简化了腰部和脊柱自由度，所以需要增强髋关节的力量和执行器扭矩，这对于模拟人类游泳动作尤为重要。基于上述多项研究得出的关键数据绘制了人类游泳运动员下肢需要的旋转角度、扭矩及其与游泳速度的关系，这些将作为双腿机械结构设计的重要参考。

根据双腿结构参数以及关节运动范围，双腿各关节最大活动角度，得到各零部件的结构参数如表1所示。

表1 双腿各关节运动范围

3.2液压多路阀的改进设计

电机直驱式液压阀的电机选用通用的PWM信号调制的模型伺服电机，它能将电能转换为机械能，由无刷电机、齿轮传动系统、电位计、集成电路及输出轴构成。通常，伺服机构有三条连线：接地线（黑色）、输入电压线（红色）、控制线（黄色，用于传输PWM信号至控制器，指令输出轴转动至指定的角位置）。电位计作为一种可变电阻器，在伺服机构中用以监测轴的角度，若输出轴未处于正确角度，电位计将指示电动机转动以调整方向；反之，则电位计将关闭电动机。标准伺服机构通常能在0°～180°范围内进行位置定位，且其价格低廉、定位精准，扭矩和角度型号选择种类丰富，缺点是散热极差，需要额外的散热空间。第一代设计阻力系数为0.0728，形状阻力系数为0.07138；第二代机器人长度为14m，迎流面积为0.123㎡，经本文设计优化后得到阻力系数为0.0490，形状阻力系数为0.04755。

3.3 液压剪扩一体钳设计

针对传统水下机器人装备的稳定性和环境适应性方面的不足，本文提出一种单自由度液压剪扩一体钳云台设计，云台的设计允许操作员精确控制液压钳的俯仰角度，适应复杂多变的海底地形，以及不同种类和密度的海藻。此外，剪切刀片的优化设计，使其不仅能高效修剪海藻，还能应对海底岩石等障碍物，彻底清除海带等大型藻类的根部，进而减小对海滨的污染。

(1）自由度分析：液压剪扩一体钳云台拥有一个俯仰自由度，可向上转动30°，向下转动30°；剪扩钳的张开角度最大为105°，推动刀片的活塞液压执行器的行程为7cm。

(2）机械结构设计：云台采用单自由度设计，集成于水下机器人前端，通过螺栓与铝型材机架结构固定，提供稳定而可靠的操作平台。云台中心安装有一个防水步进电机，电机通过皮带传动系统与液压钳尾部转轴连接，使剪扩钳在执行剪切扩张的动作时可以实现高精度控制。

液压钳本身由5160工具钢制成，以承受水下高压和腐蚀环境的挑战。剪扩钳的液压油缸直接在尾部通过软管接入耐压舱内的液压动力单元，出油口位于油缸底部，进油口位移活塞杆中心，活塞杆内部中空，两侧开有出油口，通过液压动力单元自带的电磁换向阀控制剪扩钳开合，整个动作过程中，操作员通过遥控系统发出指令，步进电机响应并调整剪扩钳的俯仰角度。目标定位后，换向阀舵机控制油流，激活油缸以产生所需的剪切力，完成海藻的修剪。设计的模块化使得液压剪扩一体钳云台不仅在水下作业中表现出众，还方便后续的维护和升级。

4、最终迭代设计及改进效果评估

根据设计信息可知需要验证海藻根能否被液压钳切断。已知AB和A1B1均为87.785mm;BB2为120.5mm,OA和OA1为93mm，角x为0°～105°，OC和OC1长188.7mm。液压缸行程为70mm，活塞有效作用面积为1963.4mm2，直径50mm，计算其理论切割力N。

在液压剪扩一体钳的活塞上施加的理论切割力可通过基本的液压原理得出（该原理指出力是压力和面积的乘积），根据给定的液压工作压力和活塞的有效面积，计算出理论切割力。液压缸线速度计算结果为0.0849m/s，之后进行剪刀片的传动比计算（剪刀片的角速度给定为7.5°/s）。将7.5°/s速度转换为线速度，首先需要将其转换为弧度每秒，然后乘以剪刀片的长度（半径）。设计中，剪刀片的长度为40mm，剪刀片的线速度为0.00524m/s，传动比定义为活塞的线速度与剪刀片的线速度之比。计算结果得出传动比为16.21。然后利用传动比可以计算剪刀的理论切割力。进行计算后，液压剪扩一体钳的理论切割力为2543.24N。大于对海带根以及养殖海带的红棕绳的剪切所需要的力。最后根据得出的数据进行有限元分析；分别在钳口剪切面及外扩张面施加2543.24 N压力，得到最大位移为0.113mm，最大应力为265.701MPa，低于屈服力895MPa(5160钢），可以得出形变在可控范围内。

参考文献:

[1]张校.海带人工养殖与海滨环境污染———大连市星海公园海带污染事故调查[J].环境保护科学,1988:72-77.

[2]联合国粮食及农业组织.全球海藻生产､贸易和利用现状[M].粮农组织和中国农业出版社,中国北京,2021:265-273.

[3]林广.国外电机驱动调节液压阀技术研究与分析应用[OL].杭州液压步进数字阀技术研讨会,2019.

基金资助:辽宁科技大学 2024 年大学生创新创业项目《基于 AI 的智能海带修剪机器人》;

文章来源:王晨,张博文,雷鹏凯,等.环保两栖多用途双足机器人设计研究[J].家电维修,2024,(09):65-67.