丁鈺騏，耿興華，周思衡，王野舟，石孟，施凱祥

（大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

0 引言

隨著機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和人工智能等學(xué)科的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已從制造業(yè)發(fā)展至諸如建筑、救援、軍事和醫(yī)療等非制造業(yè)，但是目前大多機(jī)器人受工作環(huán)境限制較大，例如水下機(jī)器人大多不具備陸上行進(jìn)功能[1]，導(dǎo)致使用該類機(jī)器人時(shí)需將其運(yùn)送至指定水域后進(jìn)行作業(yè)，完成作業(yè)后也需設(shè)備對其進(jìn)行打撈。為了解決上述問題，學(xué)者們參考多種動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了水陸兩棲仿生機(jī)器人。蔣波等[2]參考蛇的運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了一臺(tái)水陸兩棲蛇形救援機(jī)器人，利用蛇的蠕動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)水陸行進(jìn)功能，具有較高的靈活性。因兩棲機(jī)器人還需要應(yīng)對斜坡等地形，相比于蠕動(dòng)行進(jìn)，采用腿式行進(jìn)具有更高的穩(wěn)定性。毛潤澤等[3]將海豚的水中游動(dòng)方式與蜥蜴的陸地行走方式相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一臺(tái)水陸兩棲新型仿生無人遙控潛水器，但魚尾擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式載體穩(wěn)定性較差，影響其水下作業(yè)性能。為此，有學(xué)者采用穩(wěn)定性更高、更易于控制的噴射推進(jìn)方式，王宇等[4]結(jié)合六足昆蟲的生理特性與烏賊的噴射推進(jìn)方式設(shè)計(jì)了一臺(tái)水陸兩棲六足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)水下多姿態(tài)穩(wěn)定控制。但水下噴射推進(jìn)方式又限制了仿生機(jī)器人的起動(dòng)、加速性能和運(yùn)動(dòng)靈活性。

水陸兩棲仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、推進(jìn)方式、水陸形態(tài)轉(zhuǎn)換方式等因素都會(huì)影響兩棲功能實(shí)現(xiàn)效果[5]。由于海龜兼具水下游動(dòng)與陸上行進(jìn)能力，而其水下行進(jìn)方式——撲翼推進(jìn)運(yùn)動(dòng)又具有顯著優(yōu)越性：其融合了鳥類飛行和魚類游動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)特性，但又區(qū)別于昆蟲飛行的高頻氣動(dòng)特性和魚尾擺動(dòng)的單驅(qū)動(dòng)特性[6]，盡管此類撲翼動(dòng)物體形較大，但具有爆發(fā)力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[7]。因此，面對上述挑戰(zhàn)，針對仿生機(jī)器人對水陸工作環(huán)境的適應(yīng)性問題，本文通過對海龜撲翼運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和水陸運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換方式的分析，基于仿生學(xué)方法，設(shè)計(jì)了一臺(tái)水陸兩棲仿生海龜機(jī)器人；分析仿生機(jī)器人在撲翼運(yùn)動(dòng)過程中水翼轉(zhuǎn)角的變化特性；構(gòu)建水翼外板水下受力模型，針對水下?lián)湟磉\(yùn)動(dòng)中關(guān)鍵零件的受力情況，進(jìn)行流固耦合力學(xué)仿真分析和優(yōu)化；并通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的水陸兩棲仿生海龜機(jī)器人構(gòu)建的合理性。

1 水陸兩棲仿生海龜機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

1.1 海龜兩棲運(yùn)動(dòng)分析

海龜水下行進(jìn)時(shí)，主要由前水翼撲翼運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。撲翼運(yùn)動(dòng)可分為兩階段：1）水翼垂直于前進(jìn)方向并快速向后劃水，提供前進(jìn)動(dòng)力，如圖1（a）所示；2）水翼平行于前進(jìn)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(tài)變化

海龜上岸爬行時(shí)，水翼的展開狀態(tài)（如圖1（c））轉(zhuǎn)換為折疊狀態(tài)（如圖1（d）），縮短水翼與地面接觸點(diǎn)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(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

該仿生機(jī)器人的仿生重點(diǎn)是前水翼撲翼運(yùn)動(dòng)和前水翼水陸形態(tài)轉(zhuǎn)換方式。同時(shí)，該仿生機(jī)器人還具有轉(zhuǎn)向和沉浮功能。真實(shí)海龜?shù)霓D(zhuǎn)向通過前水翼不對稱運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)[9]，考慮到仿生機(jī)器人兩水翼獨(dú)立運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性難以保證，因此合并了兩套水翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使兩水翼同步運(yùn)動(dòng)，保證了機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性，通過后腿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。真實(shí)海龜?shù)某粮∵\(yùn)動(dòng)通過改變水翼攻角實(shí)現(xiàn)，為簡化前水翼機(jī)構(gòu)，采用重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變仿生機(jī)器人傾角，進(jìn)而改變前水翼攻角，實(shí)現(xiàn)沉浮運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)了水陸兩棲仿生海龜機(jī)器人（如圖2）。該仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)水翼進(jìn)行撲翼運(yùn)動(dòng)的撲翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、可進(jìn)行水陸姿態(tài)切換的可變形自鎖水翼機(jī)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的后腿機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)海龜重心以實(shí)現(xiàn)沉浮的重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

圖2 兩棲仿生海龜機(jī)器人

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 撲翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

撲翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由中央平面四連桿機(jī)構(gòu)和兩側(cè)SRRR空間連桿機(jī)構(gòu)組成，將電動(dòng)機(jī)輸出軸的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為撲翼運(yùn)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 撲翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

平面四連桿機(jī)構(gòu)將輸入連桿的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為輸出軸具有急回運(yùn)動(dòng)特性的類橢圓運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)由多個(gè)連桿零件構(gòu)成，為了提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性，連桿零件均為雙層結(jié)構(gòu)，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副由兩個(gè)軸承確保穩(wěn)定性。為了使該機(jī)構(gòu)左右受力對稱，以保證水翼運(yùn)行平穩(wěn)，選用雙軸伸直流減速電動(dòng)機(jī)，通過左右兩組齒輪將電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩傳遞至輸入連桿的左右兩側(cè)。SRRR空間連桿機(jī)構(gòu)將平面四連桿機(jī)構(gòu)輸出軸的類橢圓運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，使水翼向后劃水時(shí)速度達(dá)到最大值，且水翼平面與海龜前進(jìn)方向垂直，最大化水翼推力。

2.2 可變形自鎖水翼機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)由平面五連桿機(jī)構(gòu)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(jī)器人水下行進(jìn)時(shí)，水翼處于游動(dòng)展開狀態(tài)，如圖4（a）所示，前進(jìn)推力主要由水翼外板提供。海龜上岸后的首個(gè)撲翼周期中，當(dāng)水翼末端運(yùn)行至最低點(diǎn)時(shí)，水翼外側(cè)的A點(diǎn)觸地，產(chǎn)生地面支持力，機(jī)構(gòu)克服自鎖彈簧回復(fù)力開始變形，當(dāng)變形通過自鎖臨界點(diǎn)后，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換至爬行折疊狀態(tài)[10]，如圖4（b）所示。變形過程中，水翼外板向上旋轉(zhuǎn)離地，水翼肩板向下旋轉(zhuǎn)至前端觸地，爬行時(shí)提供摩擦力使海龜前進(jìn)。自鎖彈簧可保證水翼穩(wěn)定地自鎖于游動(dòng)或爬行狀態(tài)，從游動(dòng)狀態(tài)切換至爬行狀態(tài)時(shí)，只需保證水翼外板下降觸地后，繼續(xù)下降一段較短的距離，使連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過自鎖臨界點(diǎn)，即可切換至爬行折疊狀態(tài)。

圖4 可變形自鎖水翼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.3 后腿機(jī)構(gòu)

后腿機(jī)構(gòu)由平行四邊形機(jī)構(gòu)和左右兩個(gè)RSSR空間連桿機(jī)構(gòu)[11]組成，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。平行四邊形機(jī)構(gòu)首先將后腿舵機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞至左、右腿的空間連桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)連桿，通過空間連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)左、右腿翻轉(zhuǎn)，當(dāng)空間連桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)桿轉(zhuǎn)至左（右）極限位置時(shí)，上方連桿向下轉(zhuǎn)至最低處，后腿向左（右）擺至最大角度，且接近豎直狀態(tài)，使海龜尾部獲得橫向沖量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。海龜直行時(shí)，后腿處于中間位置，且近似平行于水平面，不產(chǎn)生橫向沖量。該機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)船舵系統(tǒng)相比，后腿動(dòng)作更接近真實(shí)海龜。

圖5 后腿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.4 重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、同步輪與同步帶、導(dǎo)軌與滑塊和移動(dòng)配重等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)同步輪，通過同步帶帶動(dòng)移動(dòng)配重在導(dǎo)軌上前后移動(dòng)，改變仿生機(jī)器人的重心與浮心相對位置關(guān)系，從而改變其水下俯仰角[12]，水翼攻角隨之改變。同時(shí)保證仿生機(jī)器人所受浮力與重力相等，在靜水中處于懸浮狀態(tài)，即可通過水翼攻角的變化實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人的上浮或下沉。

圖6 重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 運(yùn)動(dòng)特性及力學(xué)分析

3.1 水翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

使用Inventor軟件對水翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，以分析其運(yùn)動(dòng)特性。分析圖7（a）和圖7（c）平面四連桿機(jī)構(gòu)輸出軸的軌跡和速度曲線，可看出平面四連桿機(jī)構(gòu)輸出軸運(yùn)動(dòng)至A點(diǎn)時(shí)，速度達(dá)到最大值，此時(shí)水翼向后劃水，獲得最大沖量推動(dòng)海龜前進(jìn)。分析圖7（b）和圖7（d）水翼末端和平面四連桿機(jī)構(gòu)的軌跡和速度對比曲線，可看出SRRR空間連桿機(jī)構(gòu)將平面四連桿機(jī)構(gòu)輸出的類橢圓運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為了撲翼運(yùn)動(dòng)，并使運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)一步提高，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)撲翼運(yùn)動(dòng)。

圖7 水翼末端軌跡與速度傳動(dòng)過程對比圖

3.2 水翼轉(zhuǎn)角計(jì)算與分析

撲翼運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)水下行進(jìn)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)，為此對水翼轉(zhuǎn)角進(jìn)行計(jì)算與分析。如圖8所示，水翼進(jìn)行撲翼運(yùn)動(dòng)時(shí)有兩個(gè)自由度：一是繞軸1的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角θ3為軸2在水平面上的投影與海龜前進(jìn)方向的夾角；二是繞軸2的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角β為水翼平面與軸2和海龜前進(jìn)方向確定平面的夾角。因此水翼運(yùn)動(dòng)可由θ3和β關(guān)于輸入連桿轉(zhuǎn)角α的函數(shù)來描述。

圖8 水翼自由度示意圖

首先通過平面四連桿機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系計(jì)算其與SRRR空間連桿機(jī)構(gòu)連接點(diǎn)P的位置坐標(biāo)。如圖9所示，設(shè)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(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖

可解得θ1、θ2。

求出P點(diǎn)坐標(biāo)為：

式中：

通過SRRR 空間連桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系計(jì)算θ3、β。設(shè)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(diǎn)為（L04，L02，－L03），EF、FG與垂直于仿生機(jī)器人前進(jìn)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(dá)式：

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

代入實(shí)際機(jī)構(gòu)參數(shù)，使用MATLAB 進(jìn)行方程求解和函數(shù)計(jì)算后，分別繪制出水翼公轉(zhuǎn)角度θ3和自轉(zhuǎn)角度β關(guān)于輸入連桿AC轉(zhuǎn)角α的函數(shù)圖像，如圖10（a）和圖10（b）。

圖10 水翼公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)角度曲線分析

分析水翼公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)角度函數(shù)圖像，可得水翼運(yùn)動(dòng)分為3個(gè)階段：第一階段如圖10（c）所示，公轉(zhuǎn)角度為負(fù)，自轉(zhuǎn)角度較大，在80°到100°之間，水翼向后劃水且水翼平面與前進(jìn)方向大致垂直；第二階段如圖10（d）所示，公轉(zhuǎn)角度約保持在0°，主要進(jìn)行自轉(zhuǎn)角度變化，使水翼平面穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)至與前進(jìn)方向平行；第三階段如圖10（e）所示，公轉(zhuǎn)角度為正，自轉(zhuǎn)角度約為0°，使水翼向前劃水時(shí)流體阻力較小。因此該機(jī)構(gòu)能夠模擬真實(shí)海龜?shù)膿湟硗七M(jìn)運(yùn)動(dòng)。

3.3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算與分析

電動(dòng)機(jī)所需提供的轉(zhuǎn)矩由水翼劃水時(shí)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(shè)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(shí)參與公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而只有垂直于水翼平面的速度分量對流體起推動(dòng)作用。為此推導(dǎo)出水翼垂直于該平面方向的速度分量和水翼推進(jìn)力公式如下：

設(shè)平面四連桿機(jī)構(gòu)中P點(diǎn)受L3所提供的約束力F=Fx+Fy。對機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，得

對平面四連桿機(jī)構(gòu)中的三角形板進(jìn)行受力分析，設(shè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)比為i，得電動(dòng)機(jī)需提供轉(zhuǎn)矩為

代入實(shí)際參數(shù)，使用MATLAB軟件計(jì)算后，繪制電動(dòng)機(jī)需提供轉(zhuǎn)矩M關(guān)于輸入連桿轉(zhuǎn)角α的圖像如圖11所示，電動(dòng)機(jī)需提供最大轉(zhuǎn)矩為0.022 N·m。5840-3650直流無刷減速電動(dòng)機(jī)在所需轉(zhuǎn)速下額定轉(zhuǎn)矩為3.92 N·m，可安全驅(qū)動(dòng)撲翼運(yùn)動(dòng)。

圖11 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

3.4 配重安裝位置計(jì)算與分析

為了有效實(shí)現(xiàn)上浮和下沉功能，需要合理配置仿生機(jī)器人內(nèi)部的固定配重，使其重心位置合理。規(guī)定移動(dòng)配重最大移動(dòng)距離為250 mm；仿生機(jī)器人所受浮力一定，因此懸浮條件下總質(zhì)量一定；且移動(dòng)配重移動(dòng)至極限位置時(shí)，規(guī)定俯仰角為45°。選擇3個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：固定配重質(zhì)量、重心浮心間距和移動(dòng)配重質(zhì)量。進(jìn)行計(jì)算和繪圖分析，以確定固定配重安裝位置。由重心計(jì)算公式可得固定配重及其位置坐標(biāo)關(guān)系式為

其中，規(guī)定x軸方向?yàn)榉律鷻C(jī)器人前進(jìn)方向，y軸方向?yàn)榉律鷻C(jī)器人高度方向，坐標(biāo)原點(diǎn)為浮心位置，pw為固定配重質(zhì)量，px、py為固定配重重心坐標(biāo)，aw為總質(zhì)量，kw為框架質(zhì)量，kx、ky為框架重心坐標(biāo)，rx、ry為移動(dòng)配重重心坐標(biāo)，dx為移動(dòng)配重移動(dòng)距離。

整體重心浮心間距與固定配重位置坐標(biāo)關(guān)系為

其中，ay為平衡時(shí)的整體重心的y坐標(biāo)。

移動(dòng)配重與固定配重質(zhì)量關(guān)系為

代入實(shí)際參數(shù)使用MATLAB軟件計(jì)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(yuǎn)，所需質(zhì)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(yuǎn)，在x方向離浮心越近，重心浮心間距越小，仿生機(jī)器人越不穩(wěn)定，受擾動(dòng)易傾覆。規(guī)定重心浮心間距大于15 mm，即圖中深色平面下方區(qū)域。如圖12（c）中的曲面所示，為移動(dòng)配重質(zhì)量，規(guī)定其小于10 kg，即圖中深色平面下方區(qū)域。

根據(jù)上述兩個(gè)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(jìn)行線性規(guī)劃分析，如圖12（d）所示，固定配重位置坐標(biāo)需位于線1下方，線2下方，線3上方，即圖中圓點(diǎn)處三角形區(qū)域。最終選擇固定配重位置為（-20 mm,-15 mm）。

4 關(guān)鍵零部件力學(xué)分析及優(yōu)化

4.1 水翼外板形變與應(yīng)變情況動(dòng)力學(xué)仿真

使用有限元分析平臺(tái)ANSYS與計(jì)算流體力學(xué)分析軟件Fluent，對水陸兩棲仿生海龜機(jī)器人鋁合金材質(zhì)水翼外板零件進(jìn)行流固耦合力學(xué)分析[14]。

參考海龜水翼運(yùn)動(dòng)的典型參數(shù)，取水翼拍動(dòng)角速度為2.09 rad/s[15]，仿真計(jì)算時(shí)步為0.01 s，經(jīng)過仿真計(jì)算得到水翼外板形變云圖與應(yīng)力分布云圖，如圖13所示。

圖13 水翼外板形變云圖和應(yīng)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(yīng)力從翼根至翼尖逐漸減小，翼根處應(yīng)力最大值為53.965 MPa，小于鋁合金屈服強(qiáng)度。但是經(jīng)計(jì)算，水翼外板質(zhì)量為1.405 kg，質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)靈活性較差。

4.2 水翼外板材質(zhì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了在保證強(qiáng)度的條件下減小水翼外板質(zhì)量，在原一體式鋁合金水翼外板方案的基礎(chǔ)上提出了另兩種改進(jìn)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(zhì)量如表1所示。

表1 3種水翼外板方案質(zhì)量kg

方案二為一體式亞克力水翼外板，此方案水翼外板質(zhì)量較輕，但是由應(yīng)力云圖（如圖14（b））可見，翼根處最大應(yīng)力為96.009 MPa，大于亞克力材料屈服強(qiáng)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(zhì)，翼面為亞克力材質(zhì)。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(yīng)力主要集中于鋁合金骨架部分，亞克力翼面部分應(yīng)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(qiáng)度。并且剛性骨架部分應(yīng)力分布較為合理，骨架根部由于面積較大，應(yīng)力相對較小，骨架末端由于寬度減小，應(yīng)力增大，最大值為238.54 MPa，小于鋁合金材料屈服強(qiáng)度。同時(shí)方案三水翼外板質(zhì)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(yōu)化方案形變云圖和應(yīng)力分布云圖

5 樣機(jī)測試與問題改進(jìn)

經(jīng)過仿真分析和理論計(jì)算，對部分機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，研制出了水陸兩棲仿生海龜機(jī)器人樣機(jī)（如圖15），并對樣機(jī)行了相關(guān)試驗(yàn)測試，如圖16所示，表2為試驗(yàn)測得樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。

表2 仿生機(jī)器人技術(shù)參數(shù)

圖15 仿生機(jī)器人樣機(jī)

圖16 仿生機(jī)器人水下與陸上運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

仿生機(jī)器人主要功能基本實(shí)現(xiàn)：可以實(shí)現(xiàn)水下?lián)湟磉\(yùn)動(dòng)，平穩(wěn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、沉浮運(yùn)動(dòng)，且達(dá)到預(yù)設(shè)水下最大俯仰角45°；可以實(shí)現(xiàn)水翼水陸形態(tài)切換，并在地面上平穩(wěn)前進(jìn)。

同時(shí)，在試驗(yàn)過程中，對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)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(jī)多處密封膠皮所處水下深度不一，導(dǎo)致不同膠皮內(nèi)外壓差不同，部分外凸，部分內(nèi)凹，且膠皮面積較大，變形導(dǎo)致樣機(jī)整體形狀變化，浮心位置改變，破壞懸浮穩(wěn)定性。通過在膠皮外側(cè)增加限位擋板，防止膠皮過度外凸。

2）陸上行進(jìn)時(shí)，水翼下端復(fù)位后易與地面接觸產(chǎn)生阻力。

由于樣機(jī)通過水翼下端與地面間的摩擦力實(shí)現(xiàn)陸上行進(jìn)，水翼下端復(fù)位后會(huì)與地面接觸，產(chǎn)生阻力并阻礙前進(jìn)。通過在水翼下端增加單向合頁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水翼后擺時(shí)提供推進(jìn)力，前擺時(shí)不產(chǎn)生阻力。

6 結(jié)論

針對傳統(tǒng)機(jī)器人在水陸工作環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性問題，基于對海龜撲翼運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和兩棲運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式的分析，設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)水陸兩棲仿生海龜機(jī)器人。

主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為：完成可變形自鎖水翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)仿生水翼的水陸形態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)水陸不同環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)需求；通過對機(jī)構(gòu)模型的合理簡化，對水翼轉(zhuǎn)角和電動(dòng)機(jī)所需提供最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了計(jì)算與分析，驗(yàn)證了該仿生機(jī)器人能夠可靠實(shí)現(xiàn)撲翼運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)水下與陸上行進(jìn)功能；通過流固耦合力學(xué)仿真方法分析了水翼外板形變量和應(yīng)力分布情況，并對其材質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。最后對試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了性能測試和分析，測試和分析結(jié)果表明：研制的水陸兩棲仿生海龜機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)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(jìn)時(shí)水翼下端復(fù)位后易與地面接觸并產(chǎn)生阻力等問題，提出了解決方案。

未來研究工作可以關(guān)注以下三點(diǎn)：1）優(yōu)化仿生機(jī)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(jìn)效率；2）對仿生機(jī)器人進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，最大化地提高陸上行進(jìn)效率；3）設(shè)計(jì)可重復(fù)使用的密封機(jī)構(gòu)，便于調(diào)試工作。