第14卷第3期 智能系统学报 Vol.14 No.3 2019年5月 CAAI Transactions on Intelligent Systems May 2019 D0:10.11992/tis.201710025 网络出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20180427.0911.002.html 新型仿生球形两栖子母机器人系统设计 刘羽婷，郭健2，孙珊2，陈翔宇2，耿娜文只，宋伯文2，赖伊雯2，郭书祥2 (1.天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津300384；2.天津理工大学电气电子工程学院，天津 300384:3.日本香川大学工学部，日本高松7610396) 摘要：为解决传统两栖机器人的一些突出缺点，探寻机器人领域更多的可能性。本文设计了一种新型仿生球 形两栖子母机器人系统，该系统中球形两栖母机器人在陆地采用仿生四足爬行方式运动，在水下采用矢量喷水 电机进行喷水推进，无噪声，增加隐蔽性，并为微型子机器人提供控制信号和能源。微型子机器人陆地采用轮 式驱动，设计了可以实现水陆两栖的桨叶轮。该子母机器人系统通过XB通信模块实现无线通信。通过进行 的子母机器人的陆地和水下运动试验，验证了设计的子母机器人系统的有效性。 关键词：子母机器人：仿生机器人；微型子机器人；轮式驱动：球形两栖机器人；远程无线控制：XBe通信；无线 控制 中图分类号：TP242.6文献标志码：A文章编号：1673-4785(2019)03-0582-07 中文引用格式：刘羽婷，郭健，孙珊，等.新型仿生球形两栖子母机器人系统设计.智能系统学报，2019,14(3)：582-588. 英文引用格式：LIU Yuting,.GUO Jian,SUN Shan,etal.Novel bionic spherical amphibious mother-.son robot system designJ. CAAI transactions on intelligent systems,2019,14(3):582-588. Novel bionic spherical amphibious mother-son robot system design LIU Yuting'2,GUO Jian,SUN Shan2,CHEN Xiangyu'2,GENG Nawen'2,SONG Bowen'2, LAI Yiwen'2,GUO Shuxiang'2 (1.Tianjin Key Laboratory for Control Theory and Application in Complicated Systems and Biomedical Robot Laboratory,Tianjin 300384,China;2.School of Electrical and Electronic Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China;3.Fac- ulty of Engineering,Kagawa University,Takamatsu 7610396,Japan) Abstract:Inorder to solve some outsanding shortcoming of traditional amphibious robots,and explore more possibilit- ies in the field of robotics.In this paper,we present our novel spherical,amphibious mother-son robot system design,in which the spherical,amphibious mother robot performs a four-legged crawling movement on land.To reduce noise,in- crease concealment,send control signals,and provide energy to the son robot,the mother robot is equipped with a wa- ter-jet motor as an actuator under water.The son robot is wheel-driven on land and uses paddle wheels to perform am- phibious movements.This novel,spherical amphibious mother-son robot system uses wireless communication via an XBee communications module.In this article,we describe the structure design,hardware structure,and the movement and communication methods used in the system.Additionally,we tested the land and underwater motions of the mother and son robots and verified the effectiveness of the designed system. Keywords:mother-son robot;bionic robot;miniature robot;wheel-driven;spherical amphibious robot;remote wireless control:XBee communications;wireless control 随着人类探索资源、开发资源、保护资源进 程的越发深入，更加需要能在复杂环境下灵活作 业的机器人。两栖机器人作为一种性能优越的探 收稿日期：2017-10-30.网络出版日期：2018-04-27. 基金项目：国家自然科学基金面上项目(61375094)：天津理工 索设备，得到了迅猛的发展。两栖机器人具有工 大学2017年度大学生创新创业训练计划项目 (201710060019). 作环境适应性强、活动范围大、便于使用等诸多 通信作者：郭健.E-mail:jianguo@tjut.edu..cn 优势，且可以用于执行环境探测、采集样品等多
DOI: 10.11992/tis.201710025 网络出版地址: http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20180427.0911.002.html 新型仿生球形两栖子母机器人系统设计 刘羽婷1,2，郭健1,2，孙珊1,2，陈翔宇1,2，耿娜文1,2，宋伯文1,2，赖伊雯1,2，郭书祥1,2,3 （1. 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384; 2. 天津理工大学 电气电子工程学院，天津 300384; 3. 日本香川大学 工学部，日本 高松 7610396） 摘 要：为解决传统两栖机器人的一些突出缺点，探寻机器人领域更多的可能性。本文设计了一种新型仿生球 形两栖子母机器人系统，该系统中球形两栖母机器人在陆地采用仿生四足爬行方式运动，在水下采用矢量喷水 电机进行喷水推进，无噪声，增加隐蔽性，并为微型子机器人提供控制信号和能源。微型子机器人陆地采用轮 式驱动，设计了可以实现水陆两栖的桨叶轮。该子母机器人系统通过 XBee 通信模块实现无线通信。通过进行 的子母机器人的陆地和水下运动试验，验证了设计的子母机器人系统的有效性。 关键词：子母机器人；仿生机器人；微型子机器人；轮式驱动；球形两栖机器人；远程无线控制；XBee 通信；无线 控制 中图分类号：TP242.6 文献标志码：A 文章编号：1673−4785(2019)03−0582−07 中文引用格式：刘羽婷, 郭健, 孙珊, 等. 新型仿生球形两栖子母机器人系统设计 [J]. 智能系统学报, 2019, 14(3): 582–588. 英文引用格式：LIU Yuting, GUO Jian, SUN Shan, et al. Novel bionic spherical amphibious mother-son robot system design[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2019, 14(3): 582–588. Novel bionic spherical amphibious mother-son robot system design LIU Yuting1,2 ，GUO Jian1,2 ，SUN Shan1,2 ，CHEN Xiangyu1,2 ，GENG Nawen1,2 ，SONG Bowen1,2 ， LAI Yiwen1,2 ，GUO Shuxiang1,2,3 (1. Tianjin Key Laboratory for Control Theory and Application in Complicated Systems and Biomedical Robot Laboratory, Tianjin 300384, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China; 3. Faculty of Engineering, Kagawa University, Takamatsu 7610396, Japan) Abstract: Inorder to solve some outsanding shortcoming of traditional amphibious robots, and explore more possibilities in the field of robotics. In this paper, we present our novel spherical, amphibious mother-son robot system design, in which the spherical, amphibious mother robot performs a four-legged crawling movement on land. To reduce noise, increase concealment, send control signals, and provide energy to the son robot, the mother robot is equipped with a water-jet motor as an actuator under water. The son robot is wheel-driven on land and uses paddle wheels to perform amphibious movements. This novel, spherical amphibious mother–son robot system uses wireless communication via an XBee communications module. In this article, we describe the structure design, hardware structure, and the movement and communication methods used in the system. Additionally, we tested the land and underwater motions of the mother and son robots and verified the effectiveness of the designed system. Keywords: mother-son robot; bionic robot; miniature robot; wheel-driven; spherical amphibious robot; remote wireless control; XBee communications; wireless control 随着人类探索资源、开发资源、保护资源进 程的越发深入，更加需要能在复杂环境下灵活作 业的机器人。两栖机器人作为一种性能优越的探 索设备，得到了迅猛的发展。两栖机器人具有工 作环境适应性强、活动范围大、便于使用等诸多 优势，且可以用于执行环境探测、采集样品等多 收稿日期：2017−10−30. 网络出版日期：2018−04−27. 基金项目：国家自然科学基金面上项目 (61375094)；天津理工 大 学 201 7 年度大学生创新创业训练计划项 目 (201710060019). 通信作者：郭健. E-mail：jianguo@tjut.edu.cn. 第 14 卷第 3 期 智 能 系 统 学 报 Vol.14 No.3 2019 年 5 月 CAAI Transactions on Intelligent Systems May 2019
第3期 刘羽婷，等：新型仿生球形两栖子母机器人系统设计 ·583 种任务。所以，两栖机器人的发展与研究在诸多 领域拥有广阔的发展前景，并得到了世界各个国 l 家研究团队的深入研究。 上位机操作系统 2016年，北京理工大学研发了一款通过模仿 青蛙来控制机器人运动的水陆两栖蛙板机器人。 食 它在水下和陆地上皆采用双摆臂的运动形式。在 陆地运动依靠万向轮与地面的摩擦力提供推力， 在水下通过摆动尾鳍产生推力。该机器人的运动 球形两栖母机器人 方式灵活，同时搭载了多种传感器，具有较强的 实用性四。 鑫 瑞典Rotundus公司研发了一种名为Guard- Bot的球状两栖机器人，其摄像头能够保证360° 观测，机体能够承载2kg的物品。该机器人使用 九轴稳定系统，同时通过装配于球形机器人里的 球形两栖子机器人 摆锤以保持平衡，控制机体重心。 图1球形两栖子母机器人控制系统框图 2014年，中国科学技术大学研制了一款两 Fig.1 The block diagram of spherical amphibious mother- 栖机器人，采用了复合推进结构，并为机器人设 son robot control system 计了独特的弧形腿，增强了机器人对近陆地复 1.2 球形两栖子母机器人结构设计 杂地形和水下地理形态的适应性。该机器人进 1)球形两栖母机器人结构设计 行了推进性能测试，能够实现多种步态的两栖 球形两栖母机器人由上半球壳、底板、8个 行进s”。 防水舵机、4个喷水电机组成。球形两栖母机器 虽然两栖机器人得到了迅猛的发展，但传统 人可以根据环境状况的不同实现陆地和水下 的两栖机器人仍然存在一些缺点：体积较大，工 2种运动方式的切换，在陆地采用四足爬行的方 作时灵活性较低，环境适应能力差，无法满足狭 式前进，在进入水下后，陆地上的四足转变为喷 窄空间探测的需求[1；而体积较小的机器人续 水电机的4个喷水口，切换成矢量喷水的方式推 航能力较差，推动力较小。本文设计了一种 进。球形两栖母机器人的整体结构如图2 仿生球形两栖子母机器人控制系统，不仅满足 所示。 可以在宽阔的环境下工作，并兼备狭窄地域作 业的优势，同时球形两栖母机器人提供大容量 电源，提高了续航时间。该系统中，母机器人在 机器人控制部分 陆地上四足爬行，在水中喷水推进；子机器人的 驱动装置为一种特殊的桨轮结构，使其在陆地 上通过车轮行进，在水中使用螺旋桨推进。上 位机和母机器人采用XBee模块进行无线通信， 子机器人和母机器人之间采用有线连接，进行 机器人运动执 行部分 通信。 1仿生球形两栖子母机器人系统设计 图2球形两栖母机器人结构图 Fig.2 The structure diagram of the spherical amphibious 1.1系统简介 mother robot 球形两栖子母机器人协同控制系统框图如 球形两栖母机器人的上球壳以及底板均是亚 图1所示。该系统由上位机、球形两栖母机器人 克力材质，其厚度都是3mm,上半球壳的直径为 及球形两栖子机器人组成。球形两栖母机器人上 370mm,底板结构直径为370mm。喷水电机使 装有XBee无线通信模块，通过上位机软件发送 球形两栖母机器人在水中实现前行、退后、正转 控制信号，对球形两栖母机器人进行控制，同时 及反转，其防水采用3D打印制成的防水外壳。 可以通过母机器人将信号传递给子机器人，实现 球形两栖母机器人底部的喷水电机整体结构如 协同控制。 图3所示
种任务。所以，两栖机器人的发展与研究在诸多 领域拥有广阔的发展前景，并得到了世界各个国 家研究团队的深入研究。 2016 年，北京理工大学研发了一款通过模仿 青蛙来控制机器人运动的水陆两栖蛙板机器人。 它在水下和陆地上皆采用双摆臂的运动形式。在 陆地运动依靠万向轮与地面的摩擦力提供推力， 在水下通过摆动尾鳍产生推力。该机器人的运动 方式灵活，同时搭载了多种传感器，具有较强的 实用性[1]。 瑞典 Rotundus 公司研发了一种名为 GuardBot 的球状两栖机器人，其摄像头能够保证 360° 观测，机体能够承载 2 kg 的物品。该机器人使用 九轴稳定系统，同时通过装配于球形机器人里的 摆锤以保持平衡，控制机体重心[2-4]。 2014 年，中国科学技术大学研制了一款两 栖机器人，采用了复合推进结构，并为机器人设 计了独特的弧形腿，增强了机器人对近陆地复 杂地形和水下地理形态的适应性。该机器人进 行了推进性能测试，能够实现多种步态的两栖 行进[5-7]。 虽然两栖机器人得到了迅猛的发展，但传统 的两栖机器人仍然存在一些缺点：体积较大，工 作时灵活性较低，环境适应能力差，无法满足狭 窄空间探测的需求[8-10] ；而体积较小的机器人续 航能力较差，推动力较小[11-13]。本文设计了一种 仿生球形两栖子母机器人控制系统，不仅满足 可以在宽阔的环境下工作，并兼备狭窄地域作 业的优势，同时球形两栖母机器人提供大容量 电源，提高了续航时间。该系统中，母机器人在 陆地上四足爬行，在水中喷水推进；子机器人的 驱动装置为一种特殊的桨轮结构，使其在陆地 上通过车轮行进，在水中使用螺旋桨推进。上 位机和母机器人采用 XBee 模块进行无线通信， 子机器人和母机器人之间采用有线连接，进行 通信。 1 仿生球形两栖子母机器人系统设计 1.1 系统简介 球形两栖子母机器人协同控制系统框图如 图 1 所示。该系统由上位机、球形两栖母机器人 及球形两栖子机器人组成。球形两栖母机器人上 装有 XBee 无线通信模块，通过上位机软件发送 控制信号，对球形两栖母机器人进行控制，同时 可以通过母机器人将信号传递给子机器人，实现 协同控制。 球形两栖子机器人 球形两栖母机器人 上位机操作系统 无线 通信 有线 通信 图 1 球形两栖子母机器人控制系统框图 Fig. 1 The block diagram of spherical amphibious motherson robot control system 1.2 球形两栖子母机器人结构设计 1) 球形两栖母机器人结构设计 球形两栖母机器人由上半球壳、底板、8 个 防水舵机、4 个喷水电机组成。球形两栖母机器 人可以根据环境状况的不同实现陆地和水下 2 种运动方式的切换，在陆地采用四足爬行的方 式前进，在进入水下后，陆地上的四足转变为喷 水电机的 4 个喷水口，切换成矢量喷水的方式推 进。球形两栖母机器人的整体结构如 图 2 所示。 机器人控制部分 机器人运动执 行部分 图 2 球形两栖母机器人结构图 Fig. 2 The structure diagram of the spherical amphibious mother robot 球形两栖母机器人的上球壳以及底板均是亚 克力材质，其厚度都是 3 mm，上半球壳的直径为 370 mm，底板结构直径为 370 mm。喷水电机使 球形两栖母机器人在水中实现前行、退后、正转 及反转，其防水采用 3D 打印制成的防水外壳。 球形两栖母机器人底部的喷水电机整体结构如 图 3 所示。 第 3 期 刘羽婷，等：新型仿生球形两栖子母机器人系统设计 ·583·
·584· 智能系统学报 第14卷 服能机 0 平 3 4 6 图5球形两栖子机器人释放装置硬件图 喷水电机 Fig.5 The release device hardware diagram of the spher- ical amphibious son robot 1.3球形两栖子母机器人硬件电路设计 1)球形两栖子机器人释放装置设计 图3球形两栖母机器人喷水电机结构 球形两栖母机器人的硬件电路如图6所示。 Fig.3 The structure diagram of water spray motor of the 球形两栖母机器人采用AVR mega2560作为机器 spherical amphibious mother robot 人系统的核心控制器，能够通过输出8路PWM 2)球形两栖子机器人结构设计 信号控制8个伺服舵机旋转角度和位置，处理 球形两栖子机器人由球壳、底板和5个直流 XBee传递的信息，以及向球形两栖子机器人发送 电机组成，如图4所示。子机器人的球壳、底板 控制信号。 及其密封零件都通过3D打印完成，并设计子机 器人的桨叶轮，其结构如图4所示，将车轮与三叶 螺旋桨结合，使子机器人能够实现水下和陆地的 DC1928A 锂离子电池 两栖运动。球形两栖子机器人在陆地采用四轮推 进，在水中则采用5个螺旋桨划水推进。子机器 人底部安装有三叶螺旋桨，用于控制在水中的上 浮下沉运动。 XBee AVR S2956 通信模块 控制器 稳压器 图6球形两栖母机器人硬件电路 Fig.6 Design of spherical amphibious mother robot hard- ware 通信部分基于XBee无线通信模块，将其与 控制器连接起来，使控制部分和通信部分实现信 图4球形两栖子机器人及其车轮细节示意 息的传递。同时驱动部分利用2个L298N驱动器 Fig.4 The diagram of the spherical amphibious son robot 控制4个喷水推进器输出推力大小，进而可以综 and its wheel details 合地控制母机器人陆地和水下运动。 3)球形两栖子机器人释放装置设计 2)球形两栖子机器人硬件电路设计 球形两栖子机器人的释放装置是由驱动器、 球形两栖子机器人采用STC89C52作为机器 搭载平台和固定装置组成。释放装置安装在球形 人系统的核心控制器，采用5个LB1938驱动板作 两栖母机器人的底部。驱动器采用电磁继电器， 为机器人的驱动模块。控制器STC89C52能够通 如图5所示，由母机器人控制，通过程序控制电磁 过输出10路信号控制5个驱动模块，控制直流电 继电器内铜柱的收缩。当子机器人未释放时，驱 机的转速，同时能够接收并处理球形两栖母机器 动器处于仲张状态，锁定固定装置，当释放子机 人发送的控制信息，发送反馈信号。通过编写相 器人时，驱动器处于收缩状态，解锁固定装置，完 应程序，利用转速差异综合控制子机器人两栖环 成球形两栖子机器人的释放。 境下的行进速度与转向运动。球形两栖子机器人
喷水电机 伺 服 舵 机 图 3 球形两栖母机器人喷水电机结构 Fig. 3 The structure diagram of water spray motor of the spherical amphibious mother robot 2) 球形两栖子机器人结构设计 球形两栖子机器人由球壳、底板和 5 个直流 电机组成，如图 4 所示。子机器人的球壳、底板 及其密封零件都通过 3D 打印完成，并设计子机 器人的桨叶轮，其结构如图 4 所示，将车轮与三叶 螺旋桨结合，使子机器人能够实现水下和陆地的 两栖运动。球形两栖子机器人在陆地采用四轮推 进，在水中则采用 5 个螺旋桨划水推进。子机器 人底部安装有三叶螺旋桨，用于控制在水中的上 浮下沉运动。 图 4 球形两栖子机器人及其车轮细节示意 Fig. 4 The diagram of the spherical amphibious son robot and its wheel details 3) 球形两栖子机器人释放装置设计 球形两栖子机器人的释放装置是由驱动器、 搭载平台和固定装置组成。释放装置安装在球形 两栖母机器人的底部。驱动器采用电磁继电器， 如图 5 所示，由母机器人控制，通过程序控制电磁 继电器内铜柱的收缩。当子机器人未释放时，驱 动器处于伸张状态，锁定固定装置，当释放子机 器人时，驱动器处于收缩状态，解锁固定装置，完 成球形两栖子机器人的释放。 图 5 球形两栖子机器人释放装置硬件图 Fig. 5 The release device hardware diagram of the spherical amphibious son robot 1.3 球形两栖子母机器人硬件电路设计 1) 球形两栖子机器人释放装置设计 球形两栖母机器人的硬件电路如图 6 所示。 球形两栖母机器人采用 AVR mega2560 作为机器 人系统的核心控制器，能够通过输出 8 路 PWM 信号控制 8 个伺服舵机旋转角度和位置，处理 XBee 传递的信息，以及向球形两栖子机器人发送 控制信号。 XBee 通信模块 AVR 控制器 LS2956 稳压器 DC1928A 锂离子电池 图 6 球形两栖母机器人硬件电路 Fig. 6 Design of spherical amphibious mother robot hardware 通信部分基于 XBee 无线通信模块，将其与 控制器连接起来，使控制部分和通信部分实现信 息的传递。同时驱动部分利用 2 个 L298N 驱动器 控制 4 个喷水推进器输出推力大小，进而可以综 合地控制母机器人陆地和水下运动。 2) 球形两栖子机器人硬件电路设计 球形两栖子机器人采用 STC89C52 作为机器 人系统的核心控制器，采用 5 个 LB1938 驱动板作 为机器人的驱动模块。控制器 STC89C52 能够通 过输出 10 路信号控制 5 个驱动模块，控制直流电 机的转速，同时能够接收并处理球形两栖母机器 人发送的控制信息，发送反馈信号。通过编写相 应程序，利用转速差异综合控制子机器人两栖环 境下的行进速度与转向运动。球形两栖子机器人 ·584· 智 能 系 统 学 报 第 14 卷
第3期 刘羽婷，等：新型仿生球形两栖子母机器人系统设计 ·585· 的硬件申路设计实物如图7所示。 喷水方式推进：子机器人在陆地上采用四轮推 进，在水中则采用螺旋桨推水行进。基于该设计 的球形两栖子母机器人均具备两栖作业能力。 2.1球形两栖母机器人运动方式设计 1)球形两栖母机器人的陆上运动方式 球形两栖母机器人在陆地上采用四足爬行方 式运动，每条腿都具有垂直和水平两个方向的自 由度，由两个伺服电机控制摆动方向，调整角 岂 度。母机器人的运动步态通过控制球形两栖机器 人四足摆动的顺序控制。 8 91012 球形两栖机器人爬行步态的三维图如图9 图7球形两栖子机器人硬件电路图 所示。图中方向箭头标注的部分表示机器人的腿 Fig.7 Design of spherical amphibious son robot hardware 处在摆动状态，而没有标注的部分表示机器人的 3)球形两栖子母机器人的通信设计 腿处在支持状态。由图可见，机器人任何一周期 球形两栖子母机器人整体的控制系统框架如 内都有3条腿处在支持状态，另外一条腿处在摆 图8所示。球形两栖母机器人装有XBee无线通 动状态。这种步态设计使机器人在爬行运动时， 信模块，上位机向母机器人发送控制信号，母机 任意时刻的重心都处于机器人三条腿的区域内， 器人接收信号并反馈，实现上位机和母机器人之 保证了机器人的稳定性。 间的无线通信。 驱动器 4个 L298N 喷水电机 驱动器 2个 母 Atmega IPWM L298N 直流电机 2560 机器 PWM 人 8个伺服舵机 5个驱动器 5个 器 STC89C52 LB1938 直流电机 图8球形两栖子母机器人控制系统框图 Fig.8 The block diagram of spherical amphibious mother- 图9球形两栖母机器人爬行步态三维图 son robot control system Fig.9 The three-dimensional figure of the spherical am AVR mega2560与STC89C52之间采用点对 phibious mother robot crawling gait 点通信。当母机器人的通信模块接收到控制信号 2)球形两栖母机器人的水下运动方式 之后，将其传递到母机器人的控制器，由控制器 球形两栖机器人在水中采用矢量喷水方式推 判断执行命令或将信号传递给子机器人的控制 进。通过调节AVR单片机的PWM信号，可以实 器，从而整体控制子母机器人执行相应的命令， 现对伺服电机旋转角度的调节，从而实现自由调 满足不同控制需求。 整喷水推进器位置的功能。通过改变喷水推进器 的输入电压值，调节喷水推力，从而实现球形两 2仿生球形两栖子母机器人运动设计 栖母机器人在水中的前进后退、正转反转和上浮 本项目为球形两栖母机器人和球形两栖子机 下潜运动。 器人分别设计了不同的水陆运动方案。母机器人 球形两栖母机器人水下运动方式的三维结构 在陆地上采用四足爬行方式运动，在水中则采用 如图10所示
的硬件电路设计实物如图 7 所示。 图 7 球形两栖子机器人硬件电路图 Fig. 7 Design of spherical amphibious son robot hardware 3) 球形两栖子母机器人的通信设计 球形两栖子母机器人整体的控制系统框架如 图 8 所示。球形两栖母机器人装有 XBee 无线通 信模块，上位机向母机器人发送控制信号，母机 器人接收信号并反馈，实现上位机和母机器人之 间的无线通信。 Atmega 2560 PWM PWM 驱动器 L298N 驱动器 L298N 4个 喷水电机 2个 直流电机 8个伺服舵机 子 机 器 人 母 机 器 人 STC89C52 5个 直流电机 5个驱动器 LB1938 图 8 球形两栖子母机器人控制系统框图 Fig. 8 The block diagram of spherical amphibious motherson robot control system AVR mega2560 与 STC89C52 之间采用点对 点通信。当母机器人的通信模块接收到控制信号 之后，将其传递到母机器人的控制器，由控制器 判断执行命令或将信号传递给子机器人的控制 器，从而整体控制子母机器人执行相应的命令， 满足不同控制需求。 2 仿生球形两栖子母机器人运动设计 本项目为球形两栖母机器人和球形两栖子机 器人分别设计了不同的水陆运动方案。母机器人 在陆地上采用四足爬行方式运动，在水中则采用 喷水方式推进；子机器人在陆地上采用四轮推 进，在水中则采用螺旋桨推水行进。基于该设计 的球形两栖子母机器人均具备两栖作业能力。 2.1 球形两栖母机器人运动方式设计 1) 球形两栖母机器人的陆上运动方式 球形两栖母机器人在陆地上采用四足爬行方 式运动，每条腿都具有垂直和水平两个方向的自 由度，由两个伺服电机控制摆动方向，调整角 度。母机器人的运动步态通过控制球形两栖机器 人四足摆动的顺序控制。 球形两栖机器人爬行步态的三维图如图 9 所示。图中方向箭头标注的部分表示机器人的腿 处在摆动状态，而没有标注的部分表示机器人的 腿处在支持状态。由图可见，机器人任何一周期 内都有 3 条腿处在支持状态，另外一条腿处在摆 动状态。这种步态设计使机器人在爬行运动时， 任意时刻的重心都处于机器人三条腿的区域内， 保证了机器人的稳定性。 3 4 1 2 LF LR RF RR LF LR RF RR LF LR RF RR LF LR RF RR 图 9 球形两栖母机器人爬行步态三维图 Fig. 9 The three-dimensional figure of the spherical amphibious mother robot crawling gait 2) 球形两栖母机器人的水下运动方式 球形两栖机器人在水中采用矢量喷水方式推 进。通过调节 AVR 单片机的 PWM 信号，可以实 现对伺服电机旋转角度的调节，从而实现自由调 整喷水推进器位置的功能。通过改变喷水推进器 的输入电压值，调节喷水推力，从而实现球形两 栖母机器人在水中的前进后退、正转反转和上浮 下潜运动。 球形两栖母机器人水下运动方式的三维结构 如图 10 所示。 第 3 期 刘羽婷，等：新型仿生球形两栖子母机器人系统设计 ·585·
·586· 智能系统学报 第14卷 正转 后退 前进 图10球形两栖母机器人水中运动的三维结构 Fig.10 The three-dimensional figure of the spherical 退 amphibious mother robot's movement in the water 图12球形两栖子机器人水下运动方式 2.2球形两栖子机器人运动方式设计 Fig.12 The figure of the spherical amphibious son 1)球形两栖子机器人的陆上运动方式 robot's movement in the water 球形两栖子机器人在陆地上采用四轮滚动方 式运动，其运动方式如图11所示。每个车轮由一 3实验和数据分析 个直流电机控制，通过电机正反转实现对每个车 3.1球形两栖子母机器陆地性能测试 轮的控制，实现子机器人的前进、后退运动。通 1)球形两栖母机器人的陆地测试 过程序改变不同车轮的转速，使车轮间产生转速 为了评价球形两栖母机器人的陆地运动特 差，利用转速差对子机器人的运动方向进行调 性，本文分别在不同地形下做了实验，包括瓷砖 整，实现子机器人左右转向的功能。 路、大理石路、砖地以及水泥路。这些地形的特 征主要在于摩擦系数的不同。 实验结果如图13所示，球形两栖母机器人在 前进 瓷砖地面上，在频率为1.25Hz时取得了最大速 度7.6cm/s。当母机器人的运动频率小于1.25Hz 时，运动频率增加，机器人的运动速度也增加。 左转 机器人的运动频率大于1.25Hz时，运动频率增 后退 右转 加，机器人的运动速度反而减少。 。瓷砖地 ▲-大理石路 图11球形两栖子机器人陆地运动方式图 6 一砖地 Fig.11 The figure of the spherical amphibious son 水泥路 robot's movement in the land 2)球形两栖子机器人的水下运动方式 2 球形两栖子机器人的桨叶轮在水下时通过螺 旋桨划水产生驱动力，运动方式如图12所示。水 012345678910 平方向上，由4个直流电机分别控制4个螺旋桨， 频率Hz 通过调节单片机输出的PWM波信号，使不同螺 图13球形两栖母机器人陆地运动特性图 旋桨产生转速差，从而通过程序控制机器人在水 Fig.13 The land movement characteristic diagram of 平方向的运动。同时，垂直方向上，在机器人底 spherical amphibious mother robot 部安装了一个三叶螺旋桨，由直流电机控制，故 2)球形两栖子机器人的陆地测试 而可以通过编写程序，调节底部的三叶螺旋桨的 为了评价球形两栖子机器人的陆地运动特 正反转向及其转速，调节机器人的上浮和下沉。 性，本文分别在不同摩擦系数的地形下做了实验 实现球形两栖子机器人在水下的运动。 包括瓷砖路、沥青路以及砖地路面，并通过改变
前进 正转 后退 反转 图 10 球形两栖母机器人水中运动的三维结构 Fig. 10 The three-dimensional figure of the spherical amphibious mother robot’s movement in the water 2.2 球形两栖子机器人运动方式设计 1) 球形两栖子机器人的陆上运动方式 球形两栖子机器人在陆地上采用四轮滚动方 式运动，其运动方式如图 11 所示。每个车轮由一 个直流电机控制，通过电机正反转实现对每个车 轮的控制，实现子机器人的前进、后退运动。通 过程序改变不同车轮的转速，使车轮间产生转速 差，利用转速差对子机器人的运动方向进行调 整，实现子机器人左右转向的功能。 前进 左转 后退 右转 图 11 球形两栖子机器人陆地运动方式图 Fig. 11 The figure of the spherical amphibious son robot’s movement in the land 2) 球形两栖子机器人的水下运动方式 球形两栖子机器人的桨叶轮在水下时通过螺 旋桨划水产生驱动力，运动方式如图 12 所示。水 平方向上，由 4 个直流电机分别控制 4 个螺旋桨， 通过调节单片机输出的 PWM 波信号，使不同螺 旋桨产生转速差，从而通过程序控制机器人在水 平方向的运动。同时，垂直方向上，在机器人底 部安装了一个三叶螺旋桨，由直流电机控制，故 而可以通过编写程序，调节底部的三叶螺旋桨的 正反转向及其转速，调节机器人的上浮和下沉。 实现球形两栖子机器人在水下的运动。 后退 转向 下 潜 上 浮 前进 图 12 球形两栖子机器人水下运动方式 Fig. 12 The figure of the spherical amphibious son robot’s movement in the water 3 实验和数据分析 3.1 球形两栖子母机器陆地性能测试 1) 球形两栖母机器人的陆地测试 为了评价球形两栖母机器人的陆地运动特 性，本文分别在不同地形下做了实验，包括瓷砖 路、大理石路、砖地以及水泥路。这些地形的特 征主要在于摩擦系数的不同。 实验结果如图 13 所示，球形两栖母机器人在 瓷砖地面上，在频率为 1.25 Hz 时取得了最大速 度 7.6 cm/s。当母机器人的运动频率小于 1.25 Hz 时，运动频率增加，机器人的运动速度也增加。 机器人的运动频率大于 1.25 Hz 时，运动频率增 加，机器人的运动速度反而减少。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 频率/Hz 8 7 6 5 4 3 2 1 0 运动速度/cm·s−1 瓷砖地 大理石路 砖地 水泥路 图 13 球形两栖母机器人陆地运动特性图 Fig. 13 The land movement characteristic diagram of spherical amphibious mother robot 2) 球形两栖子机器人的陆地测试 为了评价球形两栖子机器人的陆地运动特 性，本文分别在不同摩擦系数的地形下做了实验， 包括瓷砖路、沥青路以及砖地路面，并通过改变 ·586· 智 能 系 统 学 报 第 14 卷
第3期 刘羽婷，等：新型仿生球形两栖子母机器人系统设计 ·587· 子机器人输出信号的占空比测量子机器人运行一 10 9 ·实际值 段距离所用的平均时间，计算出在不同占空比下 一理论值 的平均速度。 1 6 实验结果如图14所示，在没有负载的情况 下，球形两栖子机器人在瓷砖地面上，最大速 4 度71.4cms,在沥青路面上时运动速度最小，为 16.1 cm/s. 80 0102030405060708090100 占空比% 70 图16球形两栖母机器人水下运动与占空比关系 60 Fig.16 The relationship between movement speed of 50 spherical amphibious mother robot 40 130 。人行道 14 口实际值 --沥青 20 农 ·理论值 一瓷砖 10 102030405060708090100 占空比% 8 图14球形两栖子机器人陆地运动特性图 Fig.14 The land movement characteristic diagram of 4 spherical amphibious son robot 由图14的占空比与速度关系的实验图像可 以看出，球形两栖子机器人的路上运动速度与其 0 102030405060708090100 占空比% 输出信号的占空比成正比。 3.2球形两栖子母机器人水下性能测试 图17球形两栖子机器人水下运动速度与占空比关系 Fig.17 The relationship between movement speed of 为了测量子母机器人在水下的游动性能，本 spherical amphibious son robot 文在泳池内进行了水下释放实验，如图15所示。 在游动实验中测得球形两栖母机器人水下前进运 4结束语 动速度与占空比关系如图16所示。当喷水电机 两端的输入电压不断变化时，球形两栖母机器人 本文设计了一种仿生球形两栖子母机器人系 的速度随着输入的电压增大，速度会越来越快。 统，系统中分别设计了球型两栖母机器人和球形 由于电池经过稳压电源输出的最大电压为7.4V, 两栖子机器人的机械结构和硬件结构，同时实现 故当喷水电机两端输入的电压为7.4V,球形母机 了子母机器人之间的通信。球形两栖子母机器人 器人水平前进的最大速度为9.6cm/s。子机器人 均能实现两种运动的自由切换，母机器人在水下 前进运动时速度与时间的关系如图17所示，从图 喷水式运动，陆地上采用仿生四足爬行，子机器 中可以看出微型子机器人在游动时速度不断增 人在陆地上采用轮式运动，在水下通过特殊设计 加，最大速度为13.3cm/s。 的桨叶轮实现运动。球形两栖母机器人作为球型 两栖子机器人的搭载平台为其提供信号和能源， 两者采用有线连接，通过点对点通信实现信号传 递，同时方便子机器人的回收。本文分别对母机 器人和子机器人进行陆地实验，而且进行了水下 的释放实验，验证了系统设计的有效性。接下来 初始 释放 的工作中，可通过给子母机器人系统增加传感 器，增加其对外部环境的感知能力，更方便地执 图15球形两栖子母机器人水下释放实验 Fig.15 The underwater released test of spherical amphibi- 行任务。该系统在海洋探索和军事侦察领域具有 ous mother-son robot 广泛的应用价值和应用前景
子机器人输出信号的占空比测量子机器人运行一 段距离所用的平均时间，计算出在不同占空比下 的平均速度。 实验结果如图 14 所示，在没有负载的情况 下，球形两栖子机器人在瓷砖地面上，最大速 度 71.4 cm/s，在沥青路面上时运动速度最小，为 16.1 cm/s。 运动速度/cm·s−1 10 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 90 100 占空比/% 人行道 沥青 瓷砖 图 14 球形两栖子机器人陆地运动特性图 Fig. 14 The land movement characteristic diagram of spherical amphibious son robot 由图 14 的占空比与速度关系的实验图像可 以看出，球形两栖子机器人的路上运动速度与其 输出信号的占空比成正比。 3.2 球形两栖子母机器人水下性能测试 为了测量子母机器人在水下的游动性能，本 文在泳池内进行了水下释放实验，如图 15 所示。 在游动实验中测得球形两栖母机器人水下前进运 动速度与占空比关系如图 16 所示。当喷水电机 两端的输入电压不断变化时，球形两栖母机器人 的速度随着输入的电压增大，速度会越来越快。 由于电池经过稳压电源输出的最大电压为 7.4 V， 故当喷水电机两端输入的电压为 7.4 V，球形母机 器人水平前进的最大速度为 9.6 cm/s。子机器人 前进运动时速度与时间的关系如图 17 所示，从图 中可以看出微型子机器人在游动时速度不断增 加，最大速度为 13.3 cm/s。 初始 释放 图 15 球形两栖子母机器人水下释放实验 Fig. 15 The underwater released test of spherical amphibious mother-son robot 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 运动速度/cm·s−1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 占空比/% 实际值 理论值 图 16 球形两栖母机器人水下运动与占空比关系 Fig. 16 The relationship between movement speed of spherical amphibious mother robot 运动速度/cm·s−1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 占空比/% 实际值 理论值 14 12 10 8 6 4 2 0 图 17 球形两栖子机器人水下运动速度与占空比关系 Fig. 17 The relationship between movement speed of spherical amphibious son robot 4 结束语 本文设计了一种仿生球形两栖子母机器人系 统，系统中分别设计了球型两栖母机器人和球形 两栖子机器人的机械结构和硬件结构，同时实现 了子母机器人之间的通信。球形两栖子母机器人 均能实现两种运动的自由切换，母机器人在水下 喷水式运动，陆地上采用仿生四足爬行，子机器 人在陆地上采用轮式运动，在水下通过特殊设计 的桨叶轮实现运动。球形两栖母机器人作为球型 两栖子机器人的搭载平台为其提供信号和能源， 两者采用有线连接，通过点对点通信实现信号传 递，同时方便子机器人的回收。本文分别对母机 器人和子机器人进行陆地实验，而且进行了水下 的释放实验，验证了系统设计的有效性。接下来 的工作中，可通过给子母机器人系统增加传感 器，增加其对外部环境的感知能力，更方便地执 行任务。该系统在海洋探索和军事侦察领域具有 广泛的应用价值和应用前景。 第 3 期 刘羽婷，等：新型仿生球形两栖子母机器人系统设计 ·587·
·588· 智能系统学报 第14卷 参考文献： [10]INZARTSEV A V,PAVIN A M.AUV cable tracking system based on electromagnetic and video data[Cl//Pro- [1]周耿.水陆两栖蛙板机器人的设计、建模与控制D1.北 ceedings of 2008-MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean.Kobe, 京：北京理工大学，2016 Japan,2008:1-6. ZHOU Geng.Design,modeling and control of an amphibi- [11]单彦霞，李宇鹏.基于SMA驱动的仿尺蠖微型机器人 ous robot called FroBot[D].Beijing:Beijing Institute of [.机械设计与研究，2017,33(1)上50-53. Technology,2016. SHAN Yanxia,LI Yupeng.The inchworm-like bionic mi- [2]DUDEK G.GIGUERE P.PRAHACS C,et al.AQUA:an cro robot driven by SMA[J].Machine design and re- amphibious autonomous robot[J].Computer,2007,40(1): search,2017,33(1):50-53. 46-53. [12]孟庆喆.浅谈微型机器人的控制[J].电子世界， [3]http://www.rotundus.se/specifications.html. 2017(14):148. [4]MEGHJANI M,MANJANNA S,DUDEK G.Multi-target MENG Qingzhe.Brief introduction of control by micro rendezvous search[Cl//Proceedings of 2016 IEEE/RSJ In- robot[J].Electronics world,2017(14):148. ternational Conference on Intelligent Robots and Systems. [13】贾永兴，陈斌，杨宇，等.一种小型水下机器人平台的设 Daejeon,South Korea,2016:2596-2603. 计与实现).微型机与应用，2017,36(12)：36-38. [S]孔子文.两栖机器人步态规划研究D],合肥：中国科学 JIA Yongxing,CHEN Bin,YANG Yu,et al.Design and 技术大学，2014. realization of a small underwater vehicle platform[J].Mi- KONG Ziwen.Research on the gait planning of a hexapod crocomputer and its applications,2017,36(12):36-38. robot[D].Hefei:University of Science and Technology of 作者简介： China,2014. 刘羽婷，女，1997年生，本科生 [6]孔子文，张世武，许旻.六足机器人爬楼梯步态规划)， 主要研究方向为机器人技术。 机械与电子，2014(9)：77-80. KONG Ziwen,ZHANG Shiwu,XU Min.Gait planning of a hexapod robot in stair climbing[J].Machinery elec- tronics,2014(9:77-80. [7]任小双，梁旭，孔子文，等.沙地环境下椭圆型腿运动特 性实验研究仞.机械与电子，2013(11)：77-80. 郭健男，1982年生副教授，主要研 REN Xiaoshuang,LIANG Xu,KONG Ziwen,et al.Exper- 究方向为机器人技术。主持863子课 imental study on the locomotion performance of elliptic- 题1项、国家自然科学基金青年项目 1项、天津市自然科学基金面上项目 curve leg in sandy medium[J].Machinery electronics, 1项、天津市复杂系统控制理论及应 2013(11):77-80. 用重点实验室开发基金1项，获国际会 [8]EICHHORN M.TAUBERT R.AMENT C.et al.Modular 议最佳论文奖2项。近5年被SCI、 AUV system for sea water quality monitoring and manage- EI检索论文40余篇。 ment[J]//Proceedings of 2013 MTS/IEEE OCEANS-Ber- 孙珊，女，1994年生硕士研究生，主 gen.Bergen,Norway,2013 要研究方向为机器人技术。发表学术 [9]DU Jun,MENG Lingshuai,GU Haitao,et al.Optimal 论文2篇。 design of clamping mechanism for AUV underwater dock- ing device based on Kriging model[C]//Proceedings of 2017 Asia-Pacific Conference on Intelligent Robot Sys- tems.Wuhan,China,2017:310-314
参考文献： 周耿. 水陆两栖蛙板机器人的设计、建模与控制 [D]. 北 京: 北京理工大学, 2016. ZHOU Geng. Design, modeling and control of an amphibious robot called FroBot[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2016. [1] DUDEK G, GIGUERE P, PRAHACS C, et al. AQUA: an amphibious autonomous robot[J]. Computer, 2007, 40(1): 46–53. [2] [3] http://www.rotundus.se/specifications.html. MEGHJANI M, MANJANNA S, DUDEK G. Multi-target rendezvous search[C]//Proceedings of 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Daejeon, South Korea, 2016: 2596–2603. [4] 孔子文. 两栖机器人步态规划研究 [D]. 合肥: 中国科学 技术大学, 2014. KONG Ziwen. Research on the gait planning of a hexapod robot[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2014. [5] 孔子文, 张世武, 许旻. 六足机器人爬楼梯步态规划 [J]. 机械与电子, 2014(9): 77–80. KONG Ziwen, ZHANG Shiwu, XU Min. Gait planning of a hexapod robot in stair climbing[J]. Machinery & electronics, 2014(9): 77–80. [6] 任小双, 梁旭, 孔子文, 等. 沙地环境下椭圆型腿运动特 性实验研究 [J]. 机械与电子, 2013(11): 77–80. REN Xiaoshuang, LIANG Xu, KONG Ziwen, et al. Experimental study on the locomotion performance of ellipticcurve leg in sandy medium[J]. Machinery & electronics, 2013(11): 77–80. [7] EICHHORN M, TAUBERT R, AMENT C, et al. Modular AUV system for sea water quality monitoring and management[J]//Proceedings of 2013 MTS/IEEE OCEANS - Bergen. Bergen, Norway, 2013. [8] DU Jun, MENG Lingshuai, GU Haitao, et al. Optimal design of clamping mechanism for AUV underwater docking device based on Kriging model[C]//Proceedings of 2017 Asia-Pacific Conference on Intelligent Robot Systems. Wuhan, China, 2017: 310–314. [9] INZARTSEV A V, PAVIN A M. AUV cable tracking system based on electromagnetic and video data[C]//Proceedings of 2008- MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean. Kobe, Japan, 2008: 1–6. [10] 单彦霞, 李宇鹏. 基于 SMA 驱动的仿尺蠖微型机器人 [J]. 机械设计与研究, 2017, 33(1): 50–53. SHAN Yanxia, LI Yupeng. The inchworm-like bionic micro robot driven by SMA[J]. Machine design and research, 2017, 33(1): 50–53. [11] 孟庆喆. 浅谈微型机器人的控制 [J]. 电子世界, 2017(14): 148. MENG Qingzhe. Brief introduction of control by micro robot[J]. Electronics world, 2017(14): 148. [12] 贾永兴, 陈斌, 杨宇, 等. 一种小型水下机器人平台的设 计与实现 [J]. 微型机与应用, 2017, 36(12): 36–38. JIA Yongxing, CHEN Bin, YANG Yu, et al. Design and realization of a small underwater vehicle platform[J]. Microcomputer and its applications, 2017, 36(12): 36–38. [13] 作者简介： 刘羽婷，女，1997 年生，本科生， 主要研究方向为机器人技术。 郭健,男,1982 年生,副教授,主要研 究方向为机器人技术。主持 863 子课 题 1 项、国家自然科学基金青年项目 1 项、天津市自然科学基金面上项目 1 项、天津市复杂系统控制理论及应 用重点实验室开发基金 1 项,获国际会 议最佳论文奖 2 项。近 5 年被 SCI、 EI 检索论文 40 余篇。 孙珊,女,1994 年生,硕士研究生,主 要研究方向为机器人技术。发表学术 论文 2 篇。 ·588· 智 能 系 统 学 报 第 14 卷