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 mother￾son 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 am￾phibious 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·