仿蜥蜴機(jī)器人腳掌形狀面元法優(yōu)化設(shè)計

顧佳朋　顧明迪

摘要：仿蜥蜴機(jī)器人是模擬蛇怪蜥蜴運動方式實現(xiàn)水面行走的機(jī)器人，其腳掌形狀及其運動特性決定了機(jī)器人能否實現(xiàn)水面快速行走。在對蜥蜴原型運動機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用面元法對不同截面形狀的腳掌流體特性進(jìn)行分析計算，通過對比不同截面形狀腳掌表面的速度分布曲線和壓力系數(shù)分布曲線，對機(jī)器人腳掌的截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使機(jī)器人腳掌在拍擊水面時產(chǎn)生較大的升力。

關(guān)鍵詞：蛇怪蜥蜴;機(jī)器人腳掌;面元法;壓力系數(shù)

中圖分類號：TP24

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.064

蛇怪蜥蜴具有只用后腿在水上運動的能力，其水上行走速度可以達(dá)到1.5 m/s[1]。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)梅汀-西蒂副教授的研制成果“水上奔跑者”，能夠在水面上快速行走[2]。軍械工程學(xué)院、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、上海大學(xué)等國內(nèi)學(xué)者也對仿蜥蜴機(jī)器人進(jìn)行研究[3-6]。仿蜥蜴機(jī)器人腳掌拍擊水面產(chǎn)生的升力大小決定了機(jī)器人能否在水面行走而不沉入水中，而機(jī)器人腳掌的截面形狀決定了所產(chǎn)生升力的大小。本文通過面元法對機(jī)器人腳掌截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到能夠產(chǎn)生較大升力的機(jī)器人腳掌。

1 機(jī)器人腳掌模型及面元法優(yōu)化設(shè)計

本文設(shè)計了兩種不同截面形狀的機(jī)器人腳掌，梯形截面腳掌迎流面半徑為25 mm，背流面半徑為22 mm，厚2 mm;矩形截面腳掌半徑為25 mm，厚2 mm。

設(shè)定水流為無旋、非粘性、不可壓縮的流體，并以0.9 m/s的速度流向機(jī)器人腳掌，建立z-0剖面處腳掌的數(shù)學(xué)模型，采用i個直線面元對剖面邊界進(jìn)行面元劃分，如圖1所示，其中v∞為無窮遠(yuǎn)處來流的速度，ni為物面法向向量，βi為法向量與x軸夾角。腳掌剖面面元劃分的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，其中（xi，M）為各面元控制點，即各面元中點的坐標(biāo)。

采用以上方法對z=±7 mm、z=±15 mm、z=±21.35 mm腳掌剖面邊界進(jìn)行面元劃分和分析計算，得到腳掌在不同剖面處的速度曲線圖和壓力系數(shù)曲線圖，分別如圖2、圖3所示。

通過對比兩種不同剖面形狀腳掌的速度曲線和壓力系數(shù)曲線，矩形剖面腳掌所產(chǎn)生的升力大于梯形剖面腳掌所產(chǎn)生的升力，因機(jī)器人單個腳掌所產(chǎn)生的升力必須大于機(jī)器人的總重，這樣才能保證機(jī)器人在水面行走時不會沉入水中，故選擇矩形剖面腳掌作為機(jī)器人腳掌。

2 結(jié)論

本文在對蛇怪蜥蜴運動機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運用面元法對矩形剖面腳掌和梯形剖面腳掌進(jìn)行分析計算，得到兩種不同形狀腳掌表面的速度曲線和壓力系數(shù)曲線，通過對比可知矩形剖面腳掌所產(chǎn)生的升力較大，有利于支撐機(jī)器人在水面行走，因此選擇矩形剖面腳掌作為機(jī)器人腳掌。

參考文獻(xiàn)：

[1] FLOYD S，SITTI M.Design and development of the liftingand propulsion mechanism for a biologically inspiredwater runner robot[J].IEEE Tansactions on Robotics，2008， 24（3）：698-709.

[2] PA.RKH S，F(xiàn)LOYD S，SITTI M.Dynamic modeling ofabasilisk lizard inspired quadruped robot nuuung on water[C] //IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Nice： Acropolis Convention Center，2008： 3101-3107.

[3]高飛，呂建剛，張曉濤，等.模仿蛇怪蜥蜴的仿生推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)研究[J].現(xiàn)代制造工程，2012（ 8）： 32-35， 100.

[4]李冰，徐林森，汪小華，等.仿王蜥機(jī)器人驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)仿真[J].機(jī)械設(shè)計，2011，28（ 9）： 26-27.

[5]曹凱，徐林森，沈惠平，等.仿生雙足水上行走機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的運動學(xué)分析及參數(shù)化設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2013（ 2）： 190-193.

[6]蔡舒文，饒進(jìn)軍，肖輔龍.仿蜥蜴水面機(jī)器人腳掌設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與研究，2012，28（1）：23-25.