肖杰康,黃永欣,林鎮(zhèn)煒,黃明威
(東莞理工學(xué)院 機械工程學(xué)院,廣東 東莞 523000)
在地球上有著多種環(huán)境,在未知環(huán)境中許多未知環(huán)境存在著危險的陷阱,例如空氣氧氣含量,空氣中是否存在有毒氣體,巖洞中是否存在異生物或坍塌的危險等;除此之外,當(dāng)生活中發(fā)生一些意外事故,如樓房坍塌,地震以及爆炸等,這些都需要對災(zāi)后環(huán)境進行勘察,以確保災(zāi)后環(huán)境修復(fù)過程中工作人員的生命安全。以上情況都是人類無法親自進行探測的。在這種情況下,探測機器人是有必要的。
另外,絕大多數(shù)的水下推進器采用了螺旋槳推進系統(tǒng),通過螺旋槳葉在水中的轉(zhuǎn)動推動水流向后運動,從而將發(fā)動機的轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)化為推進器向前推進的運動。以螺旋槳作為推進系統(tǒng)的水下推進器,存在諸多缺點,例如系統(tǒng)體積大、重量大、瞬時響應(yīng)的嚴(yán)重滯后、能量轉(zhuǎn)化率低、效果差、可靠性難以保證、機動性能差、推進噪音大以及產(chǎn)生較大尾渦等先天性的劣勢。
筆者提出一種能代替探測人員在復(fù)雜狹窄等未知環(huán)境進行簡單勘測,擁有類魚類MPF運動模式(Median and/or Paired Fin,中央鰭/對鰭模式)的水陸兩棲仿生線翎電鰻探測機器人設(shè)計方案。水陸兩棲仿生線翎電鰻探測機器人在水下運用魚胸鰭的運動方式,擁有良好的運動性能,游動機動性強,魚鰭受載面積大,游動擾動小,游動效率高的特點。其超凡的游動機動性能、低擾動性和高效性是傳統(tǒng)的水下螺旋槳推進系統(tǒng)所望塵莫及的。另外,通過對仿生線翎電鰻探測機器人運動胸鰭進行再設(shè)計,在不改變其在水下的運動的情況下,讓其擁有在陸地、沙灘、沼澤及雪地上運動的能力,擴大了探測機器人的可探測范圍,并且確保了其能在一系列的環(huán)境上能精確的執(zhí)行探測任務(wù)。
此次研究的仿生對象:線翎電鰻,身體呈刀型,全身漆黑如墨,造型奇特,因此又稱“黑魔鬼”。屬大型魚,成魚體長45~50 cm,最長可長至60 cm。如圖1所示,尾柄突出如棒狀,身體呈刀型,體形側(cè)扁,背部光滑呈弧線形,腹鰭和臀鰭相連,呈波浪狀直達尾部。沒有背鰭,臀鰭寬大而發(fā)達,尾鰭延長似棒狀。線翎電鰻的運動模式的就是通過腹鰭和臀鰭進行正弦波浪式擺動從而推動身體在水中移動。文中根據(jù)其運動特征進行仿生并優(yōu)化拓展,最后得出此文水陸兩棲仿生線翎電鰻探測機器人的運動結(jié)構(gòu)。如圖2所示,其為水陸兩棲仿生線翎電鰻探測機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖1 線翎電鰻 圖2 機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)
機器人的運動結(jié)構(gòu)分為仿生正弦波浪式運動結(jié)構(gòu)、水陸運動模式切換結(jié)構(gòu)以及固定結(jié)構(gòu)。其中仿生正弦波浪式運動結(jié)構(gòu)主要功能是模擬線翎電鰻的運動姿態(tài),實現(xiàn)類魚類MPF運動模式,讓機器人能在水中能夠進行快速移動,并且擁有噪音低,水面擾動小的特點;在陸地上也能夠以此進行運動,實現(xiàn)探測功能。
仿生正弦波浪式運動結(jié)構(gòu)(見圖3)主要由兩個曲軸(見圖4)、多個擺動桿(見圖5)以及固定框架(見圖6)等機構(gòu)組合構(gòu)成,并且分別由兩個步進電機通過齒輪減速傳動控制。
圖3 仿生正弦波浪式運動結(jié)構(gòu)
圖4 曲軸 圖5 擺動桿 圖6 固定框
曲軸并非是一體化加工。一體化加工該曲軸會存在一定的缺點,如加工價格貴,加工工藝復(fù)雜,加工成品剛度難以保證等,因此我們的曲軸是通過多個零件拼接而成,保證其在擁有足夠結(jié)構(gòu)強度的同時方便加工。
如圖7所示,曲軸一共由七種零件組成,分別是主轉(zhuǎn)動軸、次轉(zhuǎn)動軸、轉(zhuǎn)軸、主軸板、次軸板、軸板和限制軸板組成。主轉(zhuǎn)動軸的作用是傳動齒輪進行固定配合,使步進電機上的轉(zhuǎn)矩可通過該齒輪傳遞到曲軸上;次轉(zhuǎn)動軸的裝配位置與主轉(zhuǎn)動軸同心,保證曲軸可以順利旋轉(zhuǎn);轉(zhuǎn)軸的作用是與擺動桿進行配合,限制擺動桿直槽部分不會脫離曲軸,同時把曲軸旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為擺動桿的搖擺運動;主軸板、次軸板、軸板和限制軸板的作用都是用于連接相鄰兩軸件,保證每個相鄰的軸頸相位差為40°。另外限制軸板與固定框配合,限制曲柄的最大彎曲,避免曲軸在瞬間過載的情況下發(fā)生崩斷。
圖7 曲柄
擺動桿除了與轉(zhuǎn)軸配合外,還有一個圓孔與支軸桿進行配合。該配合是讓支軸桿成為擺動桿搖擺的擺心。
運動結(jié)構(gòu)由左右兩個獨立的運動裝置構(gòu)成,兩個運動裝置相同,由一個步進電機帶動與其相連的齒輪,通過齒輪配合,帶動連有18個擺動桿的曲軸進行轉(zhuǎn)動。每個軸頸配合一個支桿,所有支桿的圓孔都連接著同一個支軸桿,支軸桿相對固定不動。通過步進電機驅(qū)動,使曲軸進行周轉(zhuǎn)運動,讓支桿達到正弦運動的效果,也就是類似線翎電鰻魚胸鰭的運動方式。對兩邊支桿進行裹膠處理(如圖8)后,使其變成翼狀后,由左右兩邊運動裝置的運動配合可以使得機器可以在水中靈活的進行前進后退轉(zhuǎn)彎等行為,另外通過轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的變換,還可以令機器可以在陸地上行動。
圖8 裹膠處理
水陸運動模式切換結(jié)構(gòu)如圖9(a)設(shè)計主要由兩個180°舵機、4個小齒輪(模數(shù)2,齒數(shù)32)、4個大齒輪(齒數(shù)44)以及仿生正弦波浪式運動結(jié)構(gòu)中的兩個支軸桿組成。
水陸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)工作原理:轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)由前后兩個聯(lián)立的運動裝置構(gòu)成,這兩個運動裝置關(guān)于中心原點對稱,分別有一個180°舵機與一組齒輪機構(gòu)相連,齒輪機構(gòu)中的兩個大齒輪(如圖10)都有一直徑和支軸桿直徑大小一致的圓孔,通過其圓孔與支軸桿相連,兩大齒輪的圓孔關(guān)于齒輪機構(gòu)中心軸對稱。在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中各個齒輪軸皆已固定。當(dāng)兩舵機同時向同一方向轉(zhuǎn)動時,即可控制支軸桿做圓周運動,從而改變運動模式,如水上運動模式見圖9(b)變成陸上運動模式見圖10(c)。
圖9 水陸運動模式切換結(jié)構(gòu)
圖10 大齒輪
固定結(jié)構(gòu)見圖11由兩個內(nèi)定位架見圖12和兩個外定位架見圖13組成。
圖11 支架 圖12 內(nèi)定位架
圖13 外定位架
內(nèi)定位架中的方槽、圓槽及其兩槽周圍的四個圓孔的作用分別為步進電機和舵機作固定,四角的圓孔的作用是與外定位架做距離控制及相對固定,剩余的圓孔是為切換結(jié)構(gòu)中的小齒輪作定位固定。外定位架中最兩邊的兩個圓孔的作用是定位并固定兩條曲軸。在其后側(cè)中兩凸起的圓柱作用是定位并固定切換結(jié)構(gòu)中的兩個小齒輪。中央圓孔作用是定位并固定運動結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動齒輪。最下方的橫向板的作用是方便整個水陸兩棲運動結(jié)構(gòu)更好地固定在其他機架中。
如圖14所示,機器人的下殼部分集成了許多功能,是本文設(shè)計一個重點之一。如圖2所示,機器人下殼內(nèi)承載的許多部件,為了保證機器內(nèi)部構(gòu)件的穩(wěn)定性及其裝配的精確性。下殼內(nèi)部有著許多定位孔位以及夾板,筋板等結(jié)構(gòu)。孔位的作用是對仿生運動結(jié)構(gòu)進行定位限制,減少運動期間的晃動;固定機器人內(nèi)部的電子元器件,如步進電機驅(qū)動板、升壓模塊、STM32主板以及電池;下殼內(nèi)部的四個夾板是為了與運動結(jié)構(gòu)上的固定框連接。另外在下殼的上表面也同樣有著孔位,其中前后兩端的孔是用于和上殼配合,左右兩側(cè)的孔位則是為了方便運動結(jié)構(gòu)外伸處防水膜的安裝。
圖14 下殼
下殼的整體外型是對稱的,而且前后兩端呈扁平狀。對稱性的外殼設(shè)計使機器人無固定的移動前端,方便其在水中的平穩(wěn)靈活移動,保證其在水上運動時候的協(xié)調(diào)。扁平狀的設(shè)計是為了減少機器人在水面上運動時候受到的水面阻力。
由于下殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜,傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)其生產(chǎn);而且下殼的材料的密度不宜過大,避免機器人裝配后整體密度過大,使其難以在水上懸浮。因此本文推薦使用新型的制造方法:3D打印,并且使用尼龍材料。
尼龍材料的優(yōu)點耐高溫、韌性好、強度高,可以作為功能件使用,適合結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的產(chǎn)品。以下是該材料的性能參數(shù):
熱變形溫度(0.45 MPa)(GB/T 1040.2-2006):145 ℃;斷裂延展率(GB/T 1040.2):36%(考察材料是否適合攻絲、卡扣等韌性要求的重要指標(biāo),該材料適合5~10次攻絲);彎曲強度(GB/T 1040.2):46.3 MPa;熱變形溫度(1.8 MPa)(GB/T 1040.2-2006):82 ℃;拉伸模量(GB/T 1040.2):1600 MPa;拉伸強度(GB/T 1040.2):46 MPa;熔點:183 ℃;彎曲模量(GB/T 1040.2):1300 MPa;缺口沖擊強度(GB/T 1843):4.9 kj/m2(相當(dāng)于 ASTM Method D256A 標(biāo)準(zhǔn)下 49 J/m,為考察材料是否容易摔壞、斷裂的重要指標(biāo),4 mm厚度的該材料產(chǎn)品70cm高度下自然落體不會破裂);無缺口沖擊強度(GB/T 1843):13.2 kj/m2(相當(dāng)于 ASTM Method D256A 標(biāo)準(zhǔn)下 130 J/m,為考察材料是否容易摔壞、斷裂的重要指標(biāo),4 mm厚度的該材料產(chǎn)品70 cm高度下自然落體不會破裂);介電常數(shù) 60 Hz:3.5。
如圖15所示,上殼的主要作用就是與下殼形成密封腔體,確保內(nèi)部運動部件有足夠的運動空間的同時,防止外環(huán)境中流體的滲入。除此之外,由于機器人的防水性要求高,因此在機器人裝配完成后,上下殼不易于拆卸。但是機器人的電池在非工作狀態(tài)的時候應(yīng)該與被供電元件斷開連接,避免電池能量的不必要浪費;電池需要在電量不足的時候及時進行補給;裝配完成后的機器人需要進行調(diào)試,主板與電腦需要多次進行數(shù)據(jù)傳輸。因此上殼的中部有一個腔體,其作用是給內(nèi)部電源安裝開關(guān)按鈕、主板數(shù)據(jù)傳輸口以及電源充電口。最后腔體上有一個密封防水蓋,以防止水滲入導(dǎo)致電器元件短路燒壞。
圖15 上殼 圖16 各結(jié)構(gòu)連接示意圖
水陸兩棲仿生線翎電鰻機器人的外形扁平狀,同時魚體內(nèi)部有電機和其他傳動部件,必須合理的處理各個部位的防水靜密封和動密封問題。在進行設(shè)計的過程中,要考慮不同部位的密封形式和特點,按照不同密封部位采用不同密封方法的原則,分類處理,做好各個部位的防水密封處理。
硅膠墊是硅膠制品中市場需求比較多的一類產(chǎn)品。有一定的張力、柔韌性、優(yōu)良的絕緣性、耐壓,耐高溫,耐低溫,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、環(huán)保安全、無異味,食品級硅膠墊具有無毒無味,不溶于水和任何溶劑,是一種高活性的綠色產(chǎn)品。此外硅膠墊也是工業(yè)上一種常用的結(jié)構(gòu)裝配防水材料。使用該材料作為機器人的防水材料在滿足其防水性的同時也可以避免其對水環(huán)境造成不必要的破壞和污染。
如圖16所示,機器人的各連接處都應(yīng)該需要相應(yīng)形狀的硅膠墊片進行防水處理,通過螺栓螺母配合使兩連接件夾緊中間的硅膠墊片,從而達到防水的效果。
水陸兩棲仿生線翎電鰻探測機器人的主要運動是由步進電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換而成,因此我們只需要簡單的控制兩邊的步進電機轉(zhuǎn)動就能使機器人運動。但是由于機器人的正弦波浪式運動受兩邊外伸魚翼共同控制,為了保證機器人能穩(wěn)定的執(zhí)行前進以及轉(zhuǎn)向功能,我們要保證兩曲軸的初始狀態(tài)應(yīng)該是對稱的,且記其為零點位置,在運動的過程中應(yīng)該注意并記錄兩軸轉(zhuǎn)動的相位差,在執(zhí)行前進以及轉(zhuǎn)向命令時,應(yīng)該先讓兩軸回到零點位置。保證兩魚翼在運動過程中的產(chǎn)生的推力平衡,從而保證機器運動時的準(zhǔn)確性。
除步進電機外,舵機的控制也有一定的限制,舵機控制的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上的支軸桿應(yīng)該時水平的,不水平的支軸桿容易因為過大的彎曲變形而導(dǎo)致斷裂,使機器人的運動失效。因此兩舵機只能同時且同向轉(zhuǎn)動,兩者轉(zhuǎn)動的角度應(yīng)該是一致的。
文中較為詳細的介紹了一種基于線翎電鰻運動模式的水陸兩棲機器人的設(shè)計意義及其設(shè)計內(nèi)容,提出了各個模塊的有效結(jié)合實現(xiàn)水陸兩棲機器人的制作方案。通過多次實物實驗測試,驗證該機器人的水陸運動模式能在現(xiàn)實水陸環(huán)境中進行正常運動?;诰€翎電鰻運動模式的水陸兩棲機器人的設(shè)計對環(huán)境檢測工作有一定的貢獻。