1、 年 月第 卷 第 期机床与液压 .：.本文引用格式：周晓阳，唐睿智，林海，等基于凸轮传动的仿生水母机器人设计机床与液压，（）：，（）：收稿日期：基金项目：广东大学生科技创新培育专项资金资助项目（）；广州大学国家级大学生创新训练项目（）作者简介：周晓阳（），男，本科生，研究方向为机械设计。：.。通信作者：唐睿智（），男，硕士，工程师，主要从事机械设计与制造加工工艺研究。：.。基于凸轮传动的仿生水母机器人设计周晓阳，唐睿智，林海，蔡培周，王嘉轩，王岩（.广州大学机械与电气工程学院，广东广州；.广州大学电子与通信工程学院，广东广州）摘要：在目前已有的仿生水母机器人研究中，针对机器人在体积、应急能力
2、、运动性能等方面的研究相对较少。为对上述方面展开进一步研究，设计一种仿生水母机器人。该仿生水母机器人使用凸轮作为动力传输的主要零件，依靠仿生触手挤压水流产生推力，提高了仿生水母机器人的运动性能。同时内部传动结构依靠单一凸轮进行传动，减小了仿生水母机器人的体积，使得机器人具备更多空间搭载附加单元。附加单元包括分离脱落结构与气囊等，可增强机器人面对复杂水下情况的应急能力。建立仿生水母机器人舒张与收缩的时间函数，输入相应设计参数后得到时间的理论计算值。最后制作仿生水母机器人样机测量其体积的大小，进行空载实验及水下实验，以验证所设计的仿生水母机器人体积更小且具备应急能力和更好的运动性能。关键词：仿生水
3、母机器人；凸轮；仿生触手；运动性能中图分类号：，（.，；.，）：，：；前言我国水产养殖规模庞大，经济效益极高，已成为农业经济发展的支柱产业之一。但我国水产养殖行业长期存在自动化与智能化水平较低、人工成本较大、养殖效率较低的问题。已有的水下作业机器人主要采用螺旋桨进行推进，存在噪声大、能耗高、稳定性差等不足。而水母的游动方式具有高效、灵活、低噪声的特点，因此仿水母式机器人能有效利用其特性辅助水产养殖。目前，国内外已有大量学者进行仿生水母机器人的研究。中国海洋大学设计出基于 记忆合金仿生水母机器人，验证了 技术驱动机器人运动的可行性；中国科学技术大学的储诚中等通过对海月水母的研究，设计了一款具备类
4、似人工肌肉功能的仿生水母机器人，实现了仿生机器人的多模式游动；等设计的仿生水母机器人由刚性支撑结构和直流电机组成，建立并分析了机械臂的运动学模型，测试了刚性支撑结构，驱动水母机器人的运动性能。上述作者创新性地使用 记忆合金进行仿生水母机器人的驱动，并成功验证了运动的可行性，但由于 丝的滞后性及易受水温影响的特点，增加了仿生水母机器人运动的受扰因素，因此在机器人运动性能的提升上具有一定的不便性。此外，使用刚性支撑结构驱动的仿生水母机器人内部结构较为复杂、零件较多，使得机器人驱动结构体积较大。同时，过大的驱动结构挤占了附加单元的搭载空间，不利于机器人应对复杂的水下情况。针对以上问题，本文作者参照水
5、母的运动特点，设计了一种基于凸轮传动的仿生水母机器人。其中凸轮传动结构能减少运动时的受扰因素，达到提高运动性能的效果。同时凸轮的扁平式设计能更好地节省空间，缩小核心单元体积，以便搭载具有分离脱落结构及气囊的附加单元，增强机器人面对复杂水下情况的应急能力。结构设计水母为软体动物，无骨骼支撑，通过伞状体有规律的收缩喷水达到推进的效果。其动作过程大致可归结 种状态：（）慢速扩张；（）加速内缩；（）惯性巡航。水母运动的各种动作为这 种状态的叠加。本文作者通过研究水母的运动方式，设计出一种仿生水母机器人，其外观如图 所示。该机器人主要由 个单元组成，分别是运动单元、转向单元、附加单元。图 为该机器人内部
6、结构的剖视图，转向单元、附加单元、运动单元呈上中下的顺序在机体内部排列。图 机器人外观模型.图 机器人内部结构剖视图.运动单元仿生水母机器人的运动单元包括传动结构和仿生触手。传动结构主要由特制的六角凸轮、推杆、弹簧及滚轮组成，凸轮位于机身中心位置，根推杆均匀围绕凸轮分布。推杆上配合了弹簧和滚轮，如图 所示。仿生触手结构由固定架、触手顶杆、延长杆组成。固定架固定于机体外壳，触手顶杆和延长杆依次连接在固定架上，如图 所示。图 传动结构.图 仿生触手.当电机带动凸轮转动时，滚轮在凸轮上开始滚动，同时推动推杆压缩弹簧并外伸。当凸轮转动到缺口处，在弹簧的作用下推杆快速回收。凸轮持续转动，使得推杆产生往复
7、运动。又因推杆与仿生触手的触手顶杆连接，所以在触手顶杆的往复运动下，延长杆形成往复摆动，带动连接在仿生触手上的硅胶外膜第 期周晓阳 等：基于凸轮传动的仿生水母机器人设计 实现水母机器人腔体的扩大和缩小，实现对水流的挤压从而产生运动。通过运动单元扁平式的设计能够使得仿生水母机器人达到更小的体积。.转向单元仿生水母机器人的转向单元主要由环形导轨、配重和直线移动机构组成。直线移动机构包括安置在一端的电机 和另一端的平衡固定件，配重中间有内螺纹，可与丝杆相互配合。直线移动机构可由位于机体中心的电机 控制，其两端分别装配滚轮使得其能在环形导轨上转动，如图 所示。当该机器人需要产生转向运动时，电机 可控制
8、直线移动机构旋转，配合电机 控制丝杆旋转带动配重在一定平面内移动，使得重心改变，机器人产生倾斜，配合运动单元能够进行转向运动。当仿生水母机器人受水流干扰时，转向单元可根据姿态传感器被动调节，使得仿生水母机器人的重心保持在铅垂线上。图 转向单元.附加单元该机器人的附加单元主要包括分离脱离结构与气囊。分离脱落结构由 形钩爪和电机 组成，如图 所示。当 形钩爪处于锁紧状态时，钩爪勾住仿生触手与机体外壁贴合，实现仿生触手与机体的固定。当电机 控制 形钩爪松开时，仿生触手在重力的作用下与机体分离。图 分离脱落结构.当该机器人的仿生触手遭遇损毁情况（卡死、松动等）从而丧失运动能力时，仿生触手可通过分离脱落
9、结构与机体分离，再通过机身尾部的气囊装置上浮，达到回收的目的，如图 所示。通过回收机身搭载的摄像头、电机、芯片等使得损失最小化。附加单元的设计能够更好地提升机器人在面对水下复杂情况的应急能力。图 气囊弹出后的机体.建立机器人舒张与收缩的时间函数基于上述单元的设计，仿生触手的运动主要通过滚子推杆的运动进行传递，而滚子推杆的运动主要依靠凸轮转动。因此，凸轮是仿生水母机器人传动过程中的核心零件，对凸轮进行分析以便确定机器人舒张与收缩的时间函数。对传动结构的凸轮及滚子推杆进行简化后可得到图 所示的模型。图 推杆滚子在回收状态的受力分析.凸轮由 段偏心圆弧连接组成，外侧围绕了 个用于驱动仿生触手的滚子推
10、杆，推杆上装有弹簧。在以凸轮为静止的参考系里，滚子推杆可视为围绕凸轮运动。滚子推杆从 状态到 状态与凸轮中心的连线对应的角度为升程角，在此过程滚子推杆沿着凸轮边线滚动，并逐渐远离凸轮中心，对应了仿生触手的舒张。滚子推杆从 状态到 状态与凸轮中心的连线对应的角度为回程角，弹簧提供的弹力使得滚子推杆快速向凸轮中心回收，对应了仿生触手的收缩。由于凸轮的转速恒定，所以生成升程角与回程角的比为（）机床与液压第 卷其中：为凸轮的转速；为升程角；为回程角；为舒张时间；为收缩时间。在收缩过程（状态到 状态）中，滚子推杆在其轴线方向仅受到的弹力 作用，在不考虑阻力、弹簧质量的情况下，收缩时间内模型可视为弹簧振子
11、模型，滚子推杆为该模型的振子。而弹簧振子模型具有简谐振动的特点，其周期、角频率公式如下：（）（）其中：为简谐振动一个完整周期；为弹簧的刚度系数；为滚子推杆的质量。将式（）代入到式（）可得简谐振动的一个完整周期为（）在收缩过程中，状态弹簧的压缩量最大，而 状态弹簧恢复至原长。可视为弹簧振子模型中振子从最远端向平衡位运动的过程，即收缩过程的时间可近似为简谐振动的一个完整周期的，如图 所示，因此可得到仿生触手收缩的时间：（）图 简谐振动的位移曲线.将式（）代入式（），可得到收缩时间：（）将式（）代入式（），可得到舒张时间：（）根据式（）、式（），当给定 .、.、.、.时，可以得到舒张时间 .，收缩时
12、间.。得到关于仿生触手收缩与舒张的时间公式，通过给定相应的设计参数可得到舒张与收缩时间的理论计算值。下一步将通过样机实验所测出的舒张收缩时间来验证时间函数的有效性。样机实验在完成上述设计与理论计算后，主要针对仿生水母机器人实际功能进行测试。首先，使用 进行机器人的建模，根据模型打印出各零部件，对各零部件进行装配并安装电子元件，最后覆盖硅胶外膜完成最终的装配，如图 所示。测得仿生水母机器人的整体尺寸为 ，相较于传统仿生水母机器人体积更小。图 仿生机器水母实物.空载实验在空载实验中，卸下样机仿生触手，输入电机功率 为 、转速 为.，每次记录 个滚子推杆的舒张与收缩的时间并求取平均值，重复实验 次，
13、得到的、如图 所示。图 实验测得实际舒张收缩时间.由图 可知实验测得平均舒张时间 实.，与计算值的误差仅为.，实.，与计算值的误差仅为.，可发现测量值与计算值基本接近，验证了建立的时间函数的有效性。.水下实验为确定仿生水母机器人的应急能力，使用细绳模拟水草将样机的仿生触手缠住，以验证仿生水母机器人的应急能力。通过实验可知，在仿生触手无法正常工作的情况下，附加单元的分离脱落结构能将主体机身与仿生触手分离并启动气囊上浮至水面。为进一步确定仿生水母机器人的运动性能，将样机放置在与仿霞水母机器人相似的实验环境中进行水下测试。样机放置在深度为 的静水中，以第 期周晓阳 等：基于凸轮传动的仿生水母机器人设
14、计 样机头部最高点作为实验测量的参考点。在实验开始之前将样机轻微抬起，使其缓慢恢复平衡并且不接触池底，之后开始通电（.），使得电机功率 为 。在样机上浮运动的过程中，对其在竖直方向上最高点进行跟踪，得出仿生水母机器人在竖直方向上的速度与加速度图像分别如图、图 所示。图 速度随时间变化曲线.图 加速度随时间变化曲线.由图 可知：在收缩时间段内（.），仿生水母机器人的仿生触手拉动硅胶膜挤压水流达到完全收缩状态，速度达到最大值；在舒张时间段内（.），整体速度缓慢减小至负值，此时仿生水母机器人处于下降状态；之后仿生触手继续收缩，重复以上流程，整体处于向上运动状态。在收缩舒张过程中机器人最大速度可达到.
15、，最大加速度可达到.，在一个运动周期内的平均速度可达到.。通过实验可验证本文作者设计的仿生水母机器人在输入条件相似的情况下其平均速度、最大速度及最大加速度得到进一步的提升，在保证整体运动性能得到优化的同时做到了更小的体积及具备一定的应急能力。结论针对水母的运动形态设计一种仿生水母机器人，主要包括运动单元、转向单元及附加单元。运动单元的凸轮扁平式设计使得仿生水母机器人的体积更加小巧。同时附加单元的搭载，使得机器人遇到紧急情况时能做到及时分离并回收，应急能力得到了提升。制作实物样机一台，测量出样机的体积大小，分别进行了空载实验及水下实验。空载实验得到的平均舒张时间与理论计算值的误差分别仅为.和.，
16、验证了时间函数的有效性。水下实验验证了附加单元面对紧急情况的应急能力，并记录了样机在一定实验条件下的实际运动情况，绘制出样机的速度与加速度曲线，结果表明：机器人最大速度可达到.，最大加速度可达到.，在一个运动周期内的平均速度可达到.。以上结果说明本文作者设计的仿生水母机器人在做到体积缩小、提高应急能力的同时，运动性能也得到了一定的提高。参考文献：赵越，张平水产养殖环境污染及其控制对策农业灾害研究，（）：，（）：谢小平智能水产养殖监控系统构建分析南方农业，（）：，（）：李庆艳，张文安物联网技术在工厂化水产养殖领域的应用广东通信技术，（）：，（）：，（），（）：王举田基于 驱动的仿生水母机器人技术研究青岛：中国海洋大学，：，谭俊哲，闫家政，王树杰，等仿生水母机器人 驱动技术及试验研究中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（）：储诚中，董二宝，金虎，等基于 驱动模块的仿生水母机器人机械与电子，（）：，（）：，机床与液压第 卷（），（）：陈一哲，杨雨卓，彭文鹏，等形状记忆合金的应用及其特性研究进展功能材料，（）：，（）：郝丽娜，郭少飞，陈洋基于 丝驱动的仿人手指传动结构设计与研究机械传动，（
