0 引　言

我国地域辽阔，地形复杂多样，且水资源丰富。其中，水资源的分布情况为南多北少，而南方地区多以热带亚热带季风气候为主，夏季高温多雨，导致地面泥泞湿润，且地势低洼处易积水。人在此环境中行动迟缓，动作困难，且对身体负荷较大，很难有效顺利完成工作。针对南方地区这种复杂环境，以考虑环境适应性为首要前提，设计符合要求的两栖机器人。

两栖仿生机器人作为一类在军事和生活领域都很有应用前景的仿生机器人，一直受到国内外的广泛关注^{[1 − 2]}。两栖仿生机器人无论是在资源的勘探、救灾和侦察方面都具有出色表现。而蝾螈作为水陆两栖动物中一种典型的代表，它不仅可适应水中和陆地等多种复杂环境，还具有体型小巧，灵活等优势^[3]。其很好地兼顾了蛇类和四足类动物的节律步态特性，使得蝾螈无论是在崎岖不平整的陆地环境，或是沼泽或者浅水等区域都有很好的适应性^{[4 − 6]}。2007年，美国的麦吉尔大学研制了新一代两栖机器人AQUA，在陆地上可实现多模式切换腿行走，在水下采用MPF推进方式，但机器人本身不能实现两栖环境之间的过渡，需人为手动把将桨切换到腿状态^[7]。2014年，韩国海洋科学技术院研发了仿螃蟹机器人，能在陆上和水底很好地执行作业任务, 但无法在水中游泳^[8]。

相比较国外，国内针对两栖机器人研究相对较晚。2016年，西北工业大学研制出了一款新型两栖机器人来满足救灾和军事探测等多方面的需求，所研制的机器人在陆地上可做轮式运动和仿生爬行，其在水下则靠螺旋桨来进行推进，但难以克服崎岖复杂的地形^[9]。2019年，中国科学院沈阳自动化研究所研发了一种新型水陆两栖蛇形机器人，该机器人由9个具有密封设计的万向运动单元组成，保证了在陆地和水中均能灵活运动^{[10 − 11]}。

综合现有两栖仿生机器人的研究来看，多数机器人环境适应性不足，且运动模式单一，难以应对复杂多变的两栖环境。因此，针对这些问题，本文提出一种两栖蝾螈仿生机器人设计方案，建立了其虚拟实体模型，并对其性能进行仿真分析，为两栖机器人研发提供了一种新思路。

1 总体设计

为了使机器人具有更好的环境适应性，且兼顾轻巧、灵活等特点，本文设计的两栖蝾螈仿生机器人如图1所示。

两栖蝾螈仿生机器人主要包括控制系统、驱动系统、数据采集系统、外壳、浮力系统和电源等。机器人总长度为1.3 m，腿收拢时高为0.2 m，在陆地上腿呈支撑状态时高为0.28 m，最多可承载物体质量约为8 kg，在无载荷的情况下整机总质量约24.47 kg，其重量分布如表1所示，并对各部分的详细设计过程进行介绍。

1.1 驱动系统

两栖蝾螈仿生机器人在陆地上四肢呈舒展状态，与地面充分接触来推动机器人前进；在水中游泳时，四肢收缩，并紧贴躯干，肢体关节不参与运动。本文针对机器人不同关节的所需驱动力矩不同，在充分考虑经济性及实用性的情况下，选用不同规格的伺服电机来进行驱动。驱动机构结构如图2所示。

驱动系统主要包括肢体关节驱动系统与身体关节驱动系统两类。机器人所有关节摆动范围参数如表2所示。

机器人身体关节驱动系统由身体各部分电机、连接器和固定底板构成，总质量约为4.5 kg。整个身体共设有6个水平摆动关节，每个关节电机处都设有速度传感器，实时采集电机转速，身体电机通过联轴器与相邻固定底板相连形成转动副，各模块通过驱动电机实现相邻关节之间的相对转动。单个身体关节的结构如图3所示。

肢体系统由前肢机构与后肢系统构成，分别位于肩单元与髋单元左右两侧，主要对整个身体起支撑作用，其总质量约为8.5 kg。肢体系统只参与陆地运动，且肢体关节的转动与身体摆动相互耦合，从而提高拟真率达到灵活推动整机前行的效果。每个肢体主要包括3个腿部关节电机、固定底座、大腿组件、联轴器和小腿扁管等零件。每个肢体包含3个关节，以左前肢机构为例，如图4所示，其中关节1电机用以控制大腿升降运动，关节2电机用以控制大腿水平摆动，关节3用以控制小腿的水平伸展和收缩。各个关节电机处都配有一个测速传感器，用以实时监测电机转速。

1.2 浮潜控制机构

机器人主要通过浮沉和俯仰调节装置来控制位于肩部和髋部的柔性气囊中气体容量，从而改变柔性气囊体积，实现机器人在水中的上浮、下潜、上仰以及下俯等动作。整个蝾螈仿生机器人的浮潜控制机构共设有5个提供固定浮力的浮力块和2个用以浮力控制的柔性气囊，为其在水中游泳时提供足够的浮力，具体安装位置如图1（a）所示。每个浮力块外壳都采用塑料材质，内部充有0.15 MPa的高压气体，具有耐磨性、耐腐蚀性耐老化性等优点。整个浮沉和俯仰调节装置主要由柔性气囊、气泵和高压储气罐构成，其具体结构如图5所示。

其中，高压储气罐、柔性气囊和气泵三者之间都是通过单向阀和电磁阀来进行连接，具体连接如图6所示。机器人在水中主要采用2种方式来实现机器人的上浮和下潜运动。

第1种控制方式为：当机器人处于水中要上浮时，电磁阀B、C、E、F、G处于关闭状态时，打开电磁阀A和D，肩部和髋部高压储气罐内的气体，分别流入肩部和髋部柔性气囊，直到压力平衡。此时，浮潜控制机构给机器人提供最大的浮力，机器人浮力大于重力，浮于水面。当机器人要下潜时，关闭电磁阀A和D，打开电磁阀B和E，利用肩部和髋部气泵分别将肩部和髋部柔性气囊的气体泵入肩部和髋部高压储气罐，直到机器人的重力大于浮力，机器人开始下潜，将柔性气囊的气体全部泵入高压储气罐后，此时机器人的浮力最小。

第2控制方式为：当机器人处于水面打算下潜时，此时肩部和髋部柔性气囊处于充气状态，关闭所有电磁阀，打开电磁阀B和E，利用肩部和髋部气泵分别将肩部和髋部柔性气囊的气体泵入肩部和髋部高压储气罐，直到机器人的重力和浮力近似相等。然后关闭电磁阀B和E，打开电磁阀C和F，此时利用肩部气泵将肩部柔性气囊的气体不断泵入髋部柔性气囊内，髋部柔性气囊体积不断变大，肩部柔性气囊的体积不断变小，机器人的浮心向尾部移动，机器人身体下俯，在机器人身体摆动推进作用下，机器人实现下潜游动。反之，将利用髋部气泵把髋部柔性气囊的气体不断泵入肩部柔性气囊时，机器人的浮心向头部移动，机器人身体上仰，在机器人身体摆动推进作用下，机器人实现上浮游动。利用机器人的姿态传感器，将机器人俯仰角度进行闭环反馈，利用反馈信号对肩部气泵和髋部气泵进行适当控制，便可对机器人的俯仰角度进行精确控制，从而精确实现机器人各个俯仰角度的上浮下潜游动。机器人开始下潜，将柔性气囊的气体全部泵入高压储气罐后，机器人的浮力最小。通过上述方式，可以实现两栖蝾螈机器人的上浮、下潜以及俯仰姿态控制。

1.3 外　壳

蝾螈仿生机器人的外壳采用塑料材质制作，总质量约1.69 kg。主要依附在关节处外侧，防止关节处转动或突发情况对重要元器件造成损坏，起保护作用，减少特殊零件的更换。机器人在程序上设计关节限位的同时，也在外壳处添加了相应的物理限位块，具体结构如图7所示。

腿部关节的限位保护设计如图7（a）所示，其中腿部限位模块主要防止突发情况下，大腿水平摆动或小腿伸缩过程对电机等重要原件造成损坏。身体各关节的限位设计如图7（b）所示，主要是为了防止突发状况下身体各关节在转动时过限位对相邻模块元器件造成损坏。

1.4 电　源

考虑到蝾螈仿生机器人的防水性和安全性，本文采用电池作为机器人的供电电源，并且在机器人躯干单元的浮力块内设计了电源舱，将其设置在舱内可起到很好的保护作用，如图1（b）所示。

所选用的电池容量大小主要根据肩部和髋部柔性气囊内气泵、身体各关节电机和腿部关节电机的耗电容量来确定。本文所设计的蝾螈机器人，其工作续航时间受所处环境和承载物质量影响，在无载荷的情况下，其在陆地上可连续运行时间约为135 min，在水中下潜工作续航时间约为240 min。整个蝾螈机器人身体共有6个关节电机，四肢共12个关节电机，2个气泵。机器人主要通过各关节电机之间协调摆动来实现整机的拟真运动，且摆动具有间歇性，按相各关节之间耦合关系来实现关节的先后转动，关节电机平均每0.7 s转动一次，且转动持续时间约为0.3 s，大腿升降关节输出的平均力矩大约为15 N·m，大腿水平摆动关节和小腿伸缩关节平均输出力矩约为7 N·m，腿部各关节在支撑整机站立时的静力矩约为3.4 N·m，身体各关节输出的平均力矩大约为5 N·m，机器人在陆地上运动时，所有关节均参与运动，根据机器人运动时各关节输出力矩的平均值和转动的角速度的平均值。同时结合其保持站立时的静功率能耗，其总耗电量约为0.236 kWh。机器人在水中时，整机通过身体关节摆动来实现游动，由于控制程序切换为高频游泳模式，其身体关节转动频率相较与陆地更快，机器人肩部与髋部气泵的功率约为50 W，且只在机器人上浮、下潜、上仰以及下俯等动作调整时参与运动，总耗电量约为0.108 kWh，其中，腿部关节只在进入水中时做收回动作，并不参与游动，因此在估算耗电量时忽略不计。本文所选用的电池容量为0.7 kWh，总重量约4 kg，满足整机供电需求，且留有余量够传感器模块能耗与水中机器人回收。

1.5 数据采集系统

数据采集系统主要用于观测机器人运行过程中自身数值状态的变化与外界各种信息的勘探。数据采集系统包括温度传感器、速度传感器、压力传感器和水箱液位传感器等。其中，传感器各模块采集数据通过控制系统中央处理器反馈给上位机，上位机再下达相应指令，实现整机智能控制。

1.6 控制系统

蝾螈机器人控制系统主要由硬件系统和软件系统构成，两者之间互相协调完成工作。硬件系统主要采用STM32控制器作为中央处理器，负责整个系统的数据采集和处理，信息交互和上位机通信等。硬件系统的外围电路主要包括无线通信模块、CAN总线模块、MPU6050陀螺仪模块、GPS模块、摄像头模块等。GPS模块用以实时定位机器人在环境中所处的确切位置。整机包含无线通信模块和CAN总线模块。CAN总线模块多用于机器人调试检修，无线通信模块则用于机器人实验时各模块采集的实时数据与上位机之间的信息传递和指令下达。摄像头模块用于拍视周围环境情况和机器人整体情况，确保任务的执行。

机器人的软件系统设计多采用C语言，包括机器人陆地运动程序设计、游泳程序设计和水中沉浮程序设计等。各系统在设计时，考虑到不同环境中仿生机器人动作与蝾螈生物匹配问题，同时结合机器人在水中与陆地运行会遇到的情况，需设计不同运动方式和子程序来应对。当机器人启动无误后，进入原先设计的主程序，通过主程序调用各个子程序来满足机器人工作需要。仿生机器人控制程序如图8所示。

1.7 有限元分析

机器人大腿组件采用铝合金材质，设计尺寸为68 mm×228 mm×21 mm，约为0.5 kg，主要用于支撑小腿电机，以及保护腿部传感器等重要元器件，且设计尺寸比例符合蝾螈生物模型。为了验证大腿组件在机器人足端卡住或陷入泥潭时是否可承载大腿电机所提供的扭矩，本文选用Solidworks进行有限元分析验证。由于设计时，选用的大腿电机所提供扭矩为18 N·m，故有限元分析中外部载荷取值为电机扭矩，添加夹具面选择大腿组件与电机连接固定处，然后对大腿组件进行网络划分，并进行静应力分析，如图9所示。

可知，大腿组件所受的最大应力为11.67 MPa，而屈服强度为55.15 MPa，零件所受应力完全自身所能承受范围之内。因此，机器人足端卡住或陷入泥潭等突发状况发生时，完全留有充足时间解决问题，并不会对大腿组件造成很严重损坏。

2 运动学仿真

在使用Solidworks完成整机模型的设计之后，通过Webots软件对蝾螈机器人的虚拟样机进行仿真，观察蝾螈机器人的运动情况，测试整机运行的稳定性，并对整机机器人进行优化改进。首先，将SolidWorks建好的三维模型导出为vrml文件，分块导入到Webots中，添加各个关节及相应约束。同时，编译相应控制程序进行仿真。

机器人在陆地上运行时，四肢呈舒展状态，对整个身体起到支撑作用，同时，依靠身体关节与四肢的协调摆动，实现其在陆地平稳行走。

针对两栖环境的复杂多样性，主要针对蝾螈仿生机器人在水中和陆地运动姿态进行了仿真如图10和图11所示，观察其在两栖不同环境中各关节运动状态的变化。机器人在水中四肢呈收缩状态不参与整机运动，主要依靠身体关节的摆动来实现整机游动，运动仿真如图12所示。机器人身体各关节随着时间摆动变化波形如图13所示，各关节呈耦合状态水平摆动。

3 结　语

本文提出一种新型两栖仿生机器人设计方案。此方案包含了一个更贴合蝾螈生物的俯仰姿态控制系统，使其可完成上浮、下潜、上仰以及下俯等一系列动作，相比于普通两栖机器人可实现更高的拟真率，且该方案适用于蝾螈大部分节律运动，很好地适应两栖环境。为了验证设计方案的可行性，采用Webots虚拟样机仿真的方式对其在水中游动和陆地行走进行了验证。结果表明，新型两栖仿生机器人设计方案可满足最初设计目标要求。本文仅对所提出新型两栖仿生机器人方案进行了设计和初步验证，有关设计方案的可行性和更多可实现姿态控制会在之后的实验中进行进一步研究。