一種四旋翼兩棲機器人的設計分析*

徐博達，于丹陽，趙宏偉，楊宇恒，任 帥，李佳思

(吉林大學 機械科學與工程學院，吉林 長春 130022)

一種四旋翼兩棲機器人的設計分析*

徐博達，于丹陽，趙宏偉，楊宇恒，任 帥，李佳思

(吉林大學 機械科學與工程學院，吉林 長春 130022)

隨著科學技術的發展，機器人技術得到普遍重視和廣泛應用。結合陸地、空間兩棲機器人的特定需求，設計了一種四旋翼兩棲機器人，針對機器人飛行特點和路面運動特性，研究了其工作機理，結合Pro/E軟件對機器人進行了建模分析，通過ANSYS軟件對機器人關鍵部件進行了靜力學分析研究，對機器人和新結構進行了試制加工，并進行了模態試驗分析。結合控制系統策略和主要傳感器對機器人運動狀態的實時反饋，提出了機器人的主要運動模式和控制策略。設計的機器人具有結構輕巧、控制方便和適合復雜工作環境等特點，在特殊環境勘察和災害探測等領域具有重要應用前景。

四旋翼；兩棲機器人；靜力學分析；運動模式；模態分析

當前國內四旋翼飛行器剛剛起步，發展比較緩慢，目前已有的四旋翼飛行器還是以玩具為主，載重小，質量大，無實際應用價值，所以多功能、多用途的新型四旋翼機器人有很大的發展空間。四旋翼飛行器發展了近1個世紀，從原來機械時代(直徑十幾米、高幾米的龐然大物)發展到當今電子時代(直徑幾十厘米甚至更小的微型“碟形”飛行器)，其實用性也從原來單純的運載工具，發展為現在集軍用、商用和民用多位一體的無人駕駛工具。目前，國內的四旋翼飛行器的發展還處于初級階段，缺乏獨自的核心技術，能應用于專業領域的相關產品還未大批量生產。國外的四旋翼領域因擁有悠久的科學文化歷史和研發團體機構，加快了多旋翼飛行器的發展。歐美發達國家四旋翼飛行器已投入了商業和軍事領域，獲得了顯著的效果[1-2]。

目前，四旋翼飛行器在軍事、救援和勘測等方面具有獨特優越性，所以，大力發展多旋翼飛行器將會成為趨勢，在如人質救援和礦洞勘測等危險環境中，又急需多功能、多用途、體積小和載重大的新型兩棲四旋翼機器人。目前，市場前景樂觀，是國內、外軍方，科研以及其他團隊研究的熱點。

基于軟件Pro/E和ADAMS的聯合仿真技術的新型四旋翼機器人擁有載重大、材質輕、體積小和兩棲操作性強的特點，并且具有圖像傳輸等多功能用途,其涵蓋了巨大經濟和社會意義，具有很好的推廣應用前景。

1 新型四旋翼兩棲機器人的設計研究

本文將研究一種新型四旋翼兩棲機器人的結構。它可以應用于緊急時刻的救援搜索和在不便于人出沒的地方進行勘探等地質工作。例如，在有積水的坍塌礦洞和陸空兩棲，且特別適合在有毒有害氣體、核物質泄漏等特殊場合應用。而在人質救援中，異常明顯的空中偵察又顯得過于顯眼，所以當其飛到特定位置，進行地面圖像傳輸無疑是最好的選擇。

1.1 新型四旋翼兩棲機器人的工作原理

本文研究四旋翼兩棲機器人的目的是為解決人類生活和工作環境中,一些不便于人類直接操作、勞動強度大、工作繁瑣、危險性高和工作質量差等問題。

四旋翼兩棲機器人是一種結構新穎、緊湊的雙模式探測裝置。四旋翼兩棲機器人在爬行狀態檢測到障礙物時，會通過調節足部伺服電動機實現前進、后退或是轉彎；當檢測到矮的障礙物時，會通過腿部關節的伺服電動機實現抬腿和收縮功能。在飛行模式下，四旋翼飛行器主要是通過改變4個電動機的轉速來調節螺旋漿的轉速，由旋翼升力的變化實現對飛行器的控制。四旋翼飛行器能夠垂直起降，自由懸停，可適應各種速度及各種飛行剖面航路的飛行狀況。這些優勢決定了四旋翼飛行器具有廣泛的應用范圍，可以實現在緊急時刻的救援搜索，在不便于人出沒的地方進行勘探等地質工作[3-4]。

1.2 新型四旋翼兩棲機器人的結構設計

新型四旋翼兩棲機器人由四旋翼飛行器機構、控制機構、地面行走機構和信息采集機構等4部分組成。

1.2.1 四旋翼飛行器機構

四旋翼飛行器機構是由旋翼、4個伺服電動機和機架組成，如圖1和圖2所示。旋翼是由2個互成角度的金屬片通過1個短軸連接而成。該旋翼采用耐磨輕質合金材料制成[5]，大大減小了自身質量。其表面經過耐高溫處理，在空中高速旋轉與空氣極速摩擦時能夠承受高溫。4個伺服電動機均采用相同的高精度無刷直流電動機,能夠精確地按照控制系統發出的信息帶動旋翼按指定旋向旋轉。機架采用工程塑料通過3D打印技術制成。機架4個角為圓環形的鏤空結構，其直徑比旋翼的最大長度稍大，在每個圓環中間有電動機安裝凹槽。4個電動機安裝在機架4角的圓環中心凹槽內。4個旋翼分別安裝在4個電動機軸上。

圖1 四旋翼飛行器機構示意圖

圖2 四旋翼飛行器底面示意圖

1.2.2 控制機構

控制機構(見圖2)裝有高蓄能電池、小型PLC控制系統及各種模擬量模塊。

1.2.3 信息采集機構

信息采集機構由機載部分和無線傳輸系統組成。機載部分包括微型攝像頭及視頻發射器。與傳統的攝像及傳輸系統相比,該系統的機載部分采用了集成度高、耗電低的電子元器件,并實現了微型化。該系統通過微型攝像頭拍攝地面的情況,并由視頻發射器將視頻信號實時發送回地面,從而實現對機器人所飛過地區的實時監視。

1.2.4 地面行走機構

圖3 四旋翼機器人腿部示意圖

地面行走機構是四旋翼兩棲機器人用來在陸地行走時實現快速平移和轉向的機構。它是由4條相同的腿組成，每條腿都是由腿支架和足組成。腿支架模仿螃蟹的足部結構，由大腿支架、小腿支架和微型銷軸電動機組成。大腿支架和小腿支架通過微型銷軸電動機連接在一起，如圖3所示。微型銷軸電動機的磁極固定在小腿支架下端的孔內，微型銷軸電動機的線圈繞在大腿支架的中心軸上，這樣就組成小腿支架直驅式的微型銷軸電動機。

圖4 輪轂電動機結構示意圖

足由支座、無刷輪轂電動機和小輪組成。輪轂電動機結構示意圖如圖4所示。支座上端與小腿支架下端連接，其下端是扁平狀的結構，在下端中部鉆有圓形的軸承座孔。在支座下端扁平狀結構外表面上固定有圓環形磁極。小輪是短圓柱形狀，內側開有圓環槽，其中心主軸上繞有輪轂電動機的線圈。深溝球軸承安裝在支座下端中心圓形的軸承座孔內，小輪的中心軸安裝在深溝球軸承孔內，這樣支座與小輪組成無刷直驅輪轂電動機，該結構大大消除了傳動式的損耗。為減小該機器人的質量，本設計不采用直接安裝機械制動系統的方式，而是通過反轉電流方向來達到快速制動的效果，或通過改變線圈接法而為電源充電，從而達到緩慢減速及能量回收的目的。每個輪轂電動機直接受控于控制系統的閉環反饋調節控制，所述足通過支座與小腿支架下端固連在一起。

1.3 機架結構力學性能仿真與分析

圖5 機架結構三維模型

機架作為整個裝置的支承部件，既要承受飛行器在飛行模式下的靜動載荷，同時又作為飛行器的負載，因此要求其在滿足結構剛強度性能要求的同時，應盡可能降低質量；為此，需要對其結構進行優化設計。首先，根據機架在實際飛行過程中的受力情況，按照力學原理，設計并繪制出(利用Pro/E軟件)機架的三維模型；然后，應用ANSYS軟件，對其結構進行靜力分析和模態分析。根據分析結果，對機架結構進行優化，設計出質輕并符合力學性能要求的機架模型。為了驗證仿真分析結果的正確性，本文利用3D打印技術，打印出機架支承臂實物模型，并對其進行模態性能試驗，試驗結果與有限元分析結果較為吻合，最終可以認為設計的機架模型能夠滿足性能要求。

利用Pro/E軟件設計并優化后的機架三維模型如圖5所示，其密度取為1.1×103kg/m3，質量為276 g。

2 新型四旋翼兩棲機器人的靜力分析

本文對四旋翼兩棲機器人的主要承力構件——旋翼支承臂進行ANSYS靜力和模態分析，并對分析結果進行試驗驗證。

2.1 定義材料屬性

由于機架結構較為復雜，采用傳統的塑料模具注射的方法成本較高；因此，本文采用一種新的加工方法——3D打印，以工程塑料PLA為原料，打印出設計所需形狀。查資料可知，其彈性模量為1.9×103MPa，密度為1.1×103kg/m3，泊松比為0.394。

2.2 劃分網格

自由網格劃分方法，最終生成的網格劃分圖形如圖6所示，其節點數為90 840，單元數為48 961。

圖6 網格劃分結果

2.3 施加載荷和約束

在實際飛行過程中，機架主要承力部件——旋翼支承臂的根部承受地面行走機構、電池和自身等的重力載荷，旋翼支承處承受旋翼的升力、旋轉電動機的轉矩和電動機轉子的振動載荷。設計的飛行器能夠承受2 kg的重物，則其中一個旋翼支承臂承受的重物質量為0.5 kg。根據空氣動力學原理，載重0.5 kg進行向上飛行(1g的加速度)，支承臂所承受的電動機旋轉反轉矩大約為0.26 N·m；因此，在ANSYS軟件分析中，將支承臂大端固定，小端承受10 N的上升力和0.26 N·m的側向轉矩。具體施加載荷、約束的位置和大小如圖7所示。

圖7 載荷和約束添加位置

2.4 結果后處理

靜力分析結果如圖8所示，結構承受的最大應力為4.6 MPa，遠小于材料的屈服強度。

圖8 靜力分析結果

3 新型四旋翼兩棲機器人的模態分析

對支承臂進行模態分析，在支承臂小端放置0.5 kg的質量點，以模擬臂在振動過程中的實際受力情況。取分析結果中的前兩階模態，其模態固有頻率為103.71和259.97 Hz，對應的模態振型分別如圖9和圖10所示。

圖9 一階模態振型(103.71 Hz)

圖10 二階模態振型(259.97 Hz)

4 新型四旋翼兩棲機器人的試驗驗證

采用型號為CF-7200A的便攜式傅里葉分析儀，在機架的末端受力處放置加速度傳感器，用力錘敲擊機架的固定端，分析儀采集并實時處理加速度傳感器的信號，繪制出每次敲擊所產生的功率譜密度函數曲線，如此反復數次，記下每次分析的結果，對比分析各結果數據，就能得出機架的各階模態對應的頻率。試驗測試分析裝置如圖11所示。一階模態振型對應頻率測試試驗的加速度傳感器放置位置如圖12所示，分析結果如圖13所示。二階模態振型對應頻率測試試驗的加速度傳感器放置位置如圖14所示，分析結果如圖15所示。

觀察功率譜密度函數曲線，得出該支承臂結構的1階模態固有頻率試驗結果為112 Hz，與仿真分析結果相差：

(1)

二階模態固有頻率試驗結果為282 Hz，與仿真分析結果相差：

(2)

圖11 試驗測試分析裝置

圖12 一階模態振型對應頻率測試試驗

圖13 一階模態試驗功率譜密度函數分析結果

圖14 二階模態振型對應頻率測試試驗

圖15 二階模態試驗功率譜密度函數分析結果

飛行器正常飛行的過程中，設計旋翼驅動電動機的轉速為8 000～13 000 r/min，電動機轉子旋轉產生的振動頻率為133.3～216.7 Hz。正好處在一階、二階模態固有頻率之間，從而能夠有效避免共振現象的發生，該飛行器機械結構的設計能夠滿足性能要求。

5 新型四旋翼兩棲機器人的功能控制

本設計采用PLC控制各執行部件，在本發明各個執行部件處均安裝有傳感器，PLC實時采集各傳感器的信息。利用閉環信息反饋調節方式，與發出指令進行比較處理，然后再作出相應指令，直到執行部件達到預設位置，這樣大大提高了機器人飛行時的準確度和可靠度[6-8]。四旋翼兩棲機器人的閉環控制系統方框圖如圖16所示。

當PLC接受到開始指令時，該機器人便以設定的功能實現陸地爬行或空中飛行。同時，信息采集機構也開啟，并將采集信息時時傳達給通信中心。當機器人在陸地爬行時，其旋翼停止旋轉。地面行走機構開始運行，由于該機器人4條腿上分別安裝有輪轂電動機，并且能夠通過控制系統實現不同方向的旋轉，當其在行走過程中遇到簡單障礙時，安裝于該機器人上的傳感器會將信息傳達給控制系統，進而控制系統會通過控制微型銷軸電東機的旋轉，來彎曲機器人的腿部結構使其越過障礙；因此，機器人能夠在復雜地形里實現任意方向快速轉向。由于該機器人在照明設備處安裝有光傳感器，當飛行到黑暗地方時，會將信號反饋給控制系統，進而照明設備開啟，保障了信息采集的順利進行。當機器人在空中執行飛行指令時，能夠按照控制系統的制定目標進行飛行，并將飛行速度、飛行距離及飛行方向時時傳達給控制系統，通過閉環反饋調節控制方式，時時控制4個電動機的轉速實現機器人的垂直運動、俯仰運動、滾轉運動、偏航運動、前后運動和側向運動，從而實現機器人準確無誤地到達指定位置。

6 新型四旋翼兩棲機器人的運動形式

四旋翼兩棲機器人的運動流程圖如圖17所示。

圖17 四旋翼兩棲機器人的運動流程圖

由于機器人在路面爬行時，左右轉彎及跨越障礙運動簡單，故本文不做詳細介紹。機器人飛行時各個動作[9-10]詳細描述如圖18和圖19所示。由于結構對稱，所以側向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。

圖18 工作流程圖

圖19 飛行動作原理示意圖

7 結語

通過對四旋翼兩棲機器人的結構設計及仿真校核，完成了機器人的機械部分設計。通過PLC控制系統，并綜合利用光電傳感器、聲音傳感器和力敏傳感器等實現系統的閉環反饋調節，綜合利用伺服電動機和四旋翼等機械結構特性，以及控制系統的時時反饋特點，實現了機器人預定的動作，最終完成了人類指定的任務。

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*國家級大學生創新實驗計劃項目(7150080050)

責任編輯鄭練

TheDesignandResearchoftheNewFour-rotorAmphibiousRobot

XU Boda, YU Danyang, ZHAO Hongwei, YANG Yuheng, REN Shuai, LI Jiasi

(School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China)

In the view of the good application prospect about the robots with four rotors and according to robot flight characteristics and creep characteristics, this paper develops a new type robot with four rotors. By means of the Pro/Engineer software to design the structure and the ANSYS to analyze the key parts of the robot. Through all kinds of sensors to achieve the closed loop control system, this paper combines system control strategy and main sensors to achieve the robot motion real-time feedback, then put forward the main movement mode and control strategy of the robot. The designed robot has characteristics like the light structure, the convenient control, and good adaptability for complex work environment etc., it has important prospects in areas such as special environment survey and disaster detection.

four rotors, amphibious robots, static analysis, movement patterns, modal analysis

TH 134

：A

徐博達(1993-)，男，大學本科，主要從事仿生機器人等方面的研究。

2015-02-13