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 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 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 mother￾son 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·