哈工大研制气动肌肉驱动的仿生青蛙游动机器人

哈工大研制气动肌肉驱动的仿生青蛙游动机器人

近年来，随着我国海洋资源开发战略和军事战略的发展，急需可适应复杂作业环境和任务需求的水陆两栖机器人，以执行人类无法完成的近海域多种作战和探测任务。因此研制既能适应陆地和近海滩涂的多变地形，又能适应复杂水下环境的两栖机器人具有重要的实用价值和现实意义。青蛙具有优异的水陆两栖运动能力，虽然其水下游动性能与效率稍逊于采用胸鳍摆动和尾鳍波动等推进方式的鱼类，但是其能够将水下游动与地面跳跃功能相结合，以腿式结构实现灵巧的两栖运动是青蛙的最大亮点。目前对仿生青蛙机器人的跳跃功能研究相对较多，而青蛙游动机理在机器人中的应用研究却较少。

传统的电机驱动器需要额外的传动机构，结构较为复杂，而气动肌肉由于其简单的安装方式而在仿生机器人中被广泛使用。利用较为精密的压力比例阀控制气动肌肉能够实现高输出精度，但成本昂贵，并且压力比例阀的流量相对较小。

哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室的樊继壮研究团队设计了一种简化的青蛙机器人，它的气动肌肉由气动高速开关阀控制，流速高，响应速度快，从而可以简化青蛙机器人的设计。此外，高速开关阀重量轻，体积小，成本低，因此在机器人系统中具有一定的优势。因此他们针对青蛙间歇性与爆炸性的游泳特点，利用气动肌肉作为驱动器，气动高速开关阀作为控制器，研究仿青蛙游动机器人的设计问题。

该项研究成果已作为封面文章付梓于《Chinese Journal of Mechanical Engineering》2017年第5期。

▼▼▼引用信息

Ji-Zhuang Fan, Wei Zhang, Peng-Cheng Kong, et al. Design and dynamic model of a frog-inspired swimming robot powered by pneumatic muscles[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2017, 30(5): 1123-1132

doi：10.1007/s10033-017-0182-5

试验方法

设计气动肌肉驱动的，高速开关阀控制的，具有独立游动能力的仿青蛙游动机器人需要从生物青蛙游动机理出发，利用机器人系统相关技术与工程手段，搭建出机电气一体的机器人试验平台（图1）。

图1 仿青蛙游动机器人试验平台

首先，根据生物青蛙的游动特点，抽象出仿青蛙游动机器人的简化模型，确定机器人总体设计方案与具体设计指标。

其次，根据制定的方案与设计指标，在三维建模软件中构建仿青蛙机器人物理样机模型。

然后，根据机器人中的机电气系统结构，建立机器人动力学模型与气动系统动态模型，分析机器人的运动能力与动态特性。

最后，针对所建立机器人动态模型，通过仿真手段验证设计的合理性，并研究机器人的控制方法。将所研制机器人物理样机放置在试验水域中进行游动试验，来验证机器人设计的可行性与正确性。

研究结果

（1）设计了仿青蛙游动机器人，其具体参数如表1所示。

机器人系统中集成了独立气源、气动控制系统以及电气系统。仿生青蛙机器人的一条后腿为三自由度平面运动连杆机构。机器人结构模型如图2所示。躯干中包含了微型气泵、高压气瓶、低压舱、高速开关阀组、电气系统等，形成了具有独立运动能力的机器人系统。机器人由外壳包围形成密封结构。后腿则包括大腿、小腿以及带有脚蹼的足部，分别通过髋、膝、踝关节连接。其中气动肌肉和线性弹簧分别模拟生物青蛙腿部的伸肌与屈肌，一端与腿部骨骼连接，一端直接通过杠杆连接关节，从而实现与生物相似的驱动形式。

图2 仿青蛙游动机器人模型

（2）机器人系统中设计了独立的气动系统，如图3所示。

图3 机器人的气动系统

建立了气动系统的热力学模型，首先通过仿真与试验的对比，验证所建立气动系统模型的合理性（图4）。

图4 髋关节肌肉压力响应曲线对比

然后针对气路饱和对气动系统的影响进行了仿真分析，如图5所示。在不同气路饱和条件下，肌肉内部压力响应速度相差较大，因此气路流量是限制肌肉压力响应的关键因素，为机器人的进一步设计与优化提供指导。

图5 不同饱和条件下的压力响应

（3）机器人的游动试验

图6 仿青蛙游动机器人游动试验

通过试验，验证了独立气动系统在机器人中的集成以及机器人动态模型建立的合理性与可行性。

重要结论

(1) 设计了腿部3自由度，气动肌肉驱动，气动高速开关阀控制的，机电气一体的仿青蛙游动机器人。

(2) 基于气动肌肉充气过程的热力学模型模拟气动系统的响应。通过仿真确认气路流量是机器人气动系统中的关键影响因素。

(3) 通过机器人的游动试验验证了机器人结构设计，气动系统设计以及机器人动态模型建立的合理性与可行性。

前景与应用

仿青蛙游动机器人设计与建模分析是完成仿青蛙两栖机器人设计的重要步骤，为开拓适应复杂环境的机器人研究提供新的路线。未来仿青蛙两栖机器人利用其迅捷的陆地跳跃能力与优秀的游动能力，可以胜任多种水陆两栖环境下的侦查，探测等任务。