摘要：水陆两栖可变形机器人是机器人领域的热点之一，为让机器人在海陆不同环境下灵活运动，很多两栖机器人不仅含有螺旋桨，同时还有轮子，但是因为环境的不同，特别是陆地和海洋连接位置的浅滩，其浪花运动比较剧烈，而地面的湿颗粒力学特征之间有较大的差异，如此导致机器人的运动受到干扰。本文主要针对可变形结构设计的水陆两栖机器人展开分析。

关键词：可变形；结构设计；水陆两栖；机器人

引言：新型水陆两栖可变形机器人具有变形的能力，并且具有多种形态的运动步态，不仅可以行走在陆地，水中也能自由移动，在水里沿海岸进行沿路检查或者实施搜救任务，所以在未来应该是一个炙手可热的产品。无论是国内还是国外，都有针对两栖机器人的大量研究，其中我们的哈工大有机器蟹的研发、机器龟则是上海交大研发的、而两栖机器人AQUA是由约克大学联合麦吉尔大学研发的，上述中的机器人均有不同的亮起推进方式，且各具优势和劣势，其中腿式机器人其对地势的适应能力较强，但是结构比较繁杂；而轮式其推进的结构比较简单但是对地势的适应能力相对较弱；拍动式虽然在陆地推进比较困难，但在水中的效率很高；蛇形由于一般是选择被动轮推进，所以环境的适应能力较弱。因此单一的推进模式是不能满足各方面需求的，地面和水面中要求的推进模式不一致导致体积大、复杂度增高、环境适应能力减少等问题。对此，本文对两栖可变形机器人进行研究，经过对原理进行简析检验控制系统是否具有可靠性和实用性。

1、水陆两栖可变形机器人Amoeba-Ⅱ

以机器人Amoeba-Ⅱ为例展开讲解，其主要结构为连接模块、俯仰模块以及驱动模块，在试验设计总共有五个运动关节且是可控的、其中包含俯仰或摆动关节、履带轮驱动关节，被动轮位于底部连接模块，才能让机器人在陆地上站立。机器人的各类零件都是选择比较轻质的材料，且整体都是密封好的，所以是能够在水面上浮起来。另外，包含两种基本构型，分别为直线型和并排型以及多种辅助构型，能够得知的是并排型具有良好的转弯特性，经过调节履带的转速来实现零半径转弯，且抗倾翻性也良好，对不同地势例如斜坡有良好的适应性。而直线型主要能够对各关节角度进行调整，速度调整就不用强调了，由此具有翻越陆地沟壑、障碍的功能，穿过比较狭窄的路面也能小菜一碟，并且在水中模仿鱼类游动。

2、控制系统体系结构

不同构型下的机器人其运动步态也不同，且一个机器人不仅有一同步态，可以灵活应用并切换这些姿态，让机器人对不同环境的适应下都较强，这一特征就对控制系统设计的要求较高，其主要是在下述三点中表现：

实操性：由于其运动姿态多种多样形态也不一，因此对控制系统的要求较高，得灵活控制这些姿态。

各类运动关节的同步运动：机器人有5个可控运动关节，一般情况下的步态都需要有两个甚至超过两个关节共同运动，只有控制同步运动才能让机器人更加平稳的运动，有效降低没必要的功率损耗。

监测机器人的运动状态：需要对机器人是实时运动状态进行监测并记录及时回馈，才能在操作时以数据作为参考，方便做好智能监控。所以，我们进行研究以后决定设计三层控制体系，监控的时候试试人机交互，而规划模块主要负责分解任务，执行层面主要负责实施运动控制，每层都应用模块化来达到目的。其中，无线通信模块和监控平台构成的监控层，在发送相关命令以后，要求能够记录和显示机器人的状态信息，而无线通信模块主要负责是机器人状态数据的传输以及规划层、监控层之间的控制指令。

执行层一般是实施分布式控制结构，从而让控制体系达到最佳的稳定性和可发展性。其中我们了解到，感知模块和执行模块组成执行层，而某个关节电机运动的控制一般是依靠执行模块来实现，收集相关信息的传感器，依靠感知模块实现，CAN广播通信主要负责执行层和规划层，是每个节点控制做到统一的有效保障。

3、控制系统硬件的研制

感知模块、执行模块和规划模块整体的控制器必须得将AD、串口通信、CAN通信、10、定时器以及中断功能开通，CAN总线负责各个模块的连接，其中MB90549开发板模块具有体积较小、功能齐全等优势，而CAN总线主要是通过多个节点来实现较短距离的通信，不容易被干扰且通信速率快、扩展宽广等特征。

其中执行模块的执行元件选择Faulhaber直流微电机以及MCDC-2805，既符合了运动精度的需求，也能满足扭矩、体积等环节的需求，而选择了倾角传感器、电位计为感知模块的传感元件，其中倾角传感器的作用主要是便于我们了解机器人的位置，在连接模块内安装，而电位计主要是可以对变形状态进行了解。

4、控制系统软件的研制

为保证机器人满足水陆两栖模式，执行模块会选择两种模式来对电机进行控制，分别为位置模式和速度模式。其中关节1、2主要起控制速度的作用，而关节在以平衡且速度不变的情况下的运动被称为平衡状态。反之则为非平衡状态。关节3、4、5主要起控制位置的作用，其关节在不固定的状态下被称为非平衡状态，反之则为平衡状态。换句话说，机器人所有的关节都处于非平衡状态时，机器人此时就处于非平衡状态，反之则为平衡状态。其实控制机器人的整个过程就是状态转变的过程。

CAN主要负责执行模块和规划模块之间的通讯工作，一般情况下需要借助广播同步帧的作用完成同步，随后运动目标值的线性规划需要执行模块会按照接收的运动目标值进行。

结束语

水陆两栖可变形机器人一般都具有多种运动步态，且对环境的适应能力较强，本文对其结构设计进行简要分析，发现其中层次化模块化的系统结构控制设计，让控制系统的容错性和可发展性较高，而实验过后也发现其具有较强的实时性和可靠性，赋予了机器人“生命”，并具有运动能力强、适应能力强等优势。另外在应用的时候，得时刻注意记录和观察和机器人的运动轨迹，便于后续做好更新和调整，让机器人的适应能力更强，为我们提供更多优质的服务。

参考文献：

[1]韩书葵，王振营，节茂岩.正八面体可变形陆空两栖机器人设计与分析[J].北华航天工业学院学报，2021，31（01）：1-4.

[2]马静，王谋，孙斌.基于可变形结构设计的水陆两栖机器人的研制[J].技术与市场，2016，23（04）：16-17+20.

[3]田冬英. 两栖可变形机器人控制系统与自主越障研究[D].沈阳理工大学，2013.

基金信息：江西省大学生创新创业训练计划项目（项目名称：两栖探测机械蛙，项目编号：S202212795022）