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仿蜥蜴机器人脚掌形状面元法优化设计

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顾佳朋顾明迪

摘要：仿蜥蜴机器人是模拟蛇怪蜥蜴运动方式实现水面行走的机器人，其脚掌形状及其运动特性决定了机器人能否实现水面快速行走。在对蜥蜴原型运动机理进行分析的基础上，利用面元法对不同截面形状的脚掌流体特性进行分析计算，通过对比不同截面形状脚掌表面的速度分布曲线和压力系数分布曲线，对机器人脚掌的截面形状进行优化设计，使机器人脚掌在拍击水面时产生较大的升力。

关键词：蛇怪蜥蜴;机器人脚掌;面元法;压力系数

中图分类号：TP24

文献标识码：A

DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.064

蛇怪蜥蜴具有只用后腿在水上運动的能力，其水上行走速度可以达到1.5m/s[1]。卡内基梅隆大学梅汀-西蒂副教授的研制成果“水上奔跑者”，能够在水面上快速行走[2]。军械工程学院、中国科学院合肥物质科学研究院、上海大学等国内学者也对仿蜥蜴机器人进行研究[3-6]。仿蜥蜴机器人脚掌拍击水面产生的升力大小决定了机器人能否在水面行走而不沉入水中，而机器人脚掌的截面形状决定了所产生升力的大小。本文通过面元法对机器人脚掌截面形状进行优化设计，得到能够产生较大升力的机器人脚掌。

1机器人脚掌模型及面元法优化设计

本文设计了两种不同截面形状的机器人脚掌，梯形截面脚掌迎流面半径为25mm，背流面半径为22mm，厚2mm;矩形截面脚掌半径为25mm，厚2mm。

设定水流为无旋、非粘性、不可压缩的流体，并以0.9m/s的速度流向机器人脚掌，建立z-0剖面处脚掌的数学模型，采用i个直线面元对剖面边界进行面元划分，如图1所示，其中v∞为无穷远处来流的速度，ni为物面法向向量，βi为法向量与x轴夹角。脚掌剖面面元划分的相关数据如表1所示，其中（xi，M）为各面元控制点，即各面元中点的坐标。

采用以上方法对z=±7mm、z=±15mm、z=±21.35mm脚掌剖面边界进行面元划分和分析计算，得到脚掌在不同剖面处的速度曲线图和压力系数曲线图，分别如图2、图3所示。

通过对比两种不同剖面形状脚掌的速度曲线和压力系数曲线，矩形剖面脚掌所产生的升力大于梯形剖面脚掌所产生的升力，因机器人单个脚掌所产生的升力必须大于机器人的总重，这样才能保证机器人在水面行走时不会沉入水中，故选择矩形剖面脚掌作为机器人脚掌。

2结论

本文在对蛇怪蜥蜴运动机理进行分析的基础上，运用面元法对矩形剖面脚掌和梯形剖面脚掌进行分析计算，得到两种不同形状脚掌表面的速度曲线和压力系数曲线，通过对比可知矩形剖面脚掌所产生的升力较大，有利于支撑机器人在水面行走，因此选择矩形剖面脚掌作为机器人脚掌。

参考文献：

[1]FLOYDS，SITTIM.Designanddevelopmentoftheliftingandpropulsionmechanismforabiologicallyinspiredwaterrunnerrobot[J].IEEETansactionsonRobotics，2008，24（3）：698-709.

[2]PA.RKHS，FLOYDS，SITTIM.Dynamicmodelingofabasilisklizardinspiredquadrupedrobotnuuungonwater[C]//IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems.Nice：AcropolisConventionCenter，2008：3101-3107.

[3]高飞，吕建刚，张晓涛，等.模仿蛇怪蜥蜴的仿生推进装置结构研究[J].现代制造工程，2012（8）：32-35，100.

[4]李冰，徐林森，汪小华，等.仿王蜥机器人驱动机构设计及动力学仿真[J].机械设计，2011，28（9）：26-27.

[5]曹凯，徐林森，沈惠平，等.仿生双足水上行走机器人行走机构的运动学分析及参数化设计[J].机械设计与制造，2013（2）：190-193.

[6]蔡舒文，饶进军，肖辅龙.仿蜥蜴水面机器人脚掌设计[J].机械设计与研究，2012，28（1）：23-25.

科技与创新2019年11期

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-全文完-