仿蜥蜴踩水行进的腿式垃圾收集机器人设计

仿蜥蜴踩水行进的腿式垃圾收集机器人设计

毛鑫婕1王彬彬2,王力涵3,张丽稳4,张琰5

（1.天津科技大学 机械工程学院，天津 河西   300222）

摘要：基于国内外两栖机器人的研究现状，针对机动性能差，灵敏度低，无法适用小型垃圾收集区域等缺陷，以蛇形蜥蜴为原型设计的一种仿生垃圾收集机器人。通过模拟蜥蜴在水上的踩水运动，抽象出独特的连杆机构，极大提高推进能力。机器人的尾部不采用螺旋桨结构，不易被水草等杂物缠绕。垃圾收集部分采用履带式，尾部安装圆形稳定装置，使机器人行进的同时保持稳定。本机构采用双电机驱动作为动力来源,锥齿轮传动比为2:1。

关键词：仿生机械蜥蜴;水上垃圾收集;腿式；运动控制;环境保护

0引言

近年来，资源开发的重心逐渐从陆地转向水上，随着水上资源的陆续开发，一些问题接踵而至。人类在开发的过程中，在水上产生了各种各样的垃圾。目前，水上垃圾清理主要使用的是水上垃圾清理船，大型清洁船只可针对于较大区域的水域进行清理垃圾，对于这种情形，研究使用水上机器人无疑是明智的选择。特别是仿生机器人的引入，它的性能较高，适应性强，且可节约资源，为设计提供新的思路和方案。对于垃圾收集机器人国内外都有一定的研究成果，高泽等人研究的《水上漂浮垃圾终结者设计》利用岸边或者船坞上安装的太阳能水泵提供动能，水面的高差将周围的水引入垃圾桶，完成对垃圾的收集。利用太阳能减少了对环境的污染，但装置固定，收集垃圾的范围较局限。蒋超奇、罗卫平研究的垃圾回收船依靠双船体和推进器实现在水面的航行，利用可绕中心轴转动的捞斗来打捞垃圾，利用可拆卸安装的垃圾箱暂时储存垃圾，实现垃圾的打捞回收。简单高效但容易受到塑料、渔网等带状物品的缠绕。

基于此前的研究，本文采用了一种新的设计方法——仿生设计。仿蜥蜴踩水行进设计一款腿式机器人。该机器人可以有效对小型的水域进行垃圾收集。适用于小型复杂水域。

1系统设计

本文设计的仿蜥蜴踩水行进的腿式垃圾收集机器人，主要包含以下几个部分：仿运动脚蹼连杆，尾鳍，控制系统，垃圾收集装置，球形稳定装置，其中仿运动脚蹼连杆包含脚蹼和连杆儿两部分。其作用是踩水行进，使其产生向前的推动力。尾鳍的作用是负责转向与脚蹼保持向前的推动力。控制系统包含驱动电机，转向电机，垃圾收集电机及esp32 控制板，主要负责控制垃圾收集及视觉识别，垃圾收集装置包括履带传送和垃圾收集箱。履带将垃圾传送至垃圾箱完成收集。球形稳定装置包含两个半球状的浮力装置，其作用是被动产生移动，维持装置平衡。

2设计分析及优势分析

2.1仿腿部运动轨迹的连杆设计

根据对蛇形蜥蜴水上运动的观察，我们抽象出了一种仿蜥蜴水上运动的特殊连杆。蜥蜴在水上的运动可以大致分为三部分拍打、划、恢复，简化水上运动机器人的控制方法。通过模仿蜥蜴的脚步运动轨迹设计出来的这种连杆儿叫做改进的Watt-I连杆，瓦特连杆也叫平行连杆，其中点轨迹很像一个数字8，本文用改进的杆组来做推进机构，极大地提高了推进能力。同时该组两杆中加入了角度连杆，可调节脚蹼拍打水面的角度。

本文通过试凑法，参考文献A Bio-Inspired Biped Water Running Robot Incorporating the Watt-I Planar LinkageMechanism[3]得出来一组角度连杆，能够较好地满足踩水行进运动，杆长分配如下：

表 1  连杆参数三线表

图 1  连杆机构图

对机构进行拆杆组，由图可知，此机构为二级杆组。

取123组成的四杆机构进行分析，尺寸如图所示。

                       式(3-2)

最短杆长度+最长杆长度<其余两杆长度之和，满足杆长条件。

且最短杆1为连架杆,所以此机构为曲柄摇杆机构。

急回运动：极位夹角θ=82°。

行程速比系数：

                  式(3-3)

该机构极位夹角θ=82°，行程速比系数为K=2.67。

进行分析知，机构存在死点，运行过程中会出现卡顿现象，但可以实现较好的推进能力。

2.3转向机构设计

本文的转向机构采用尾鳍式转向，通过尾部的尾鳍的转动改变方向，与前端电机配合产生向前的推力，不使用螺旋桨式驱动，可避免缠绕。

2.4垃圾收集装置的设计

仿生蜥蜴垃圾收集装置主要通过履带传送器将垃圾传送至机械上方的垃圾箱，电机驱动带动轴和齿轮将动力传送给履带，履带将垃圾运输至上方的垃圾箱完成对垃圾的收集。

3实物搭建与分析

3.1实物搭建

经过仿真分析与借鉴参考文献A Bio-Inspired Biped Water Running Robot Incorporating the Watt-I Planar LinkageMechanism[3]我们搭建出了产品的核心机构图及整体结构图，如下图：

图2 实物及整体结构图

4 结论

本文在国内外研究情况的基础上，针对机器人垃圾回收的环境保护、友好型要求，设计了一款腿式多电机驱动水上垃圾收集机器人，该机器人以脚蹼、尾鳍为运动结构，通过尾鳍的摆动实现水上运动前进与转向的功能，具有运动速度快、转换迅速、控制简单等特点。主要研究结果如下：

（1）以蛇形蜥蜴拍打水面的运动方式为灵感，设计研制了一种全新的运动机构，该机构以改进的瓦特连杆腿结构为支撑骨架，尾鳍镶嵌于整个机构的尾部，通过尾鳍的摆动实现运动方向的转换；对特殊连杆结构进行了支撑强度的仿真、水中推进力仿真，验证了其在水上等环境中运动能力，经过仿真优化最终确定了腿及脚蹼的结构、材料等关键问题；设计确定了机器人整体机械结构，最终得到机器人整体模型，该机器人质量约为2.453kg，水中最大速度大于0.5m/s,满足指标要求。

（2）针对机器人的运动机构以及整体的运动用“虚拟支撑腿”的概念，进行机器人运动学分析，得到机器人位姿和脚蹼连杆转角的关系，通过三维模型仿真做出机器人脚蹼连杆运动的速度，加速度，位移的关系，得到了机器人简单的运动曲线。

参考文献：

[1]蒋超奇,罗卫平.一种水上垃圾回收船的结构设计[J].福建农机,2021(01):29-32.

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