摘要
近几十年来，对两栖机器人的研究揭示了其在海洋工程、军事、工业、医学和其他领域的各种潜在应用。然而，传统的两栖机器人由于自身机构具有较高的刚度，有限的自由度，因此与人类的安全交互能力较差。本文通过模拟海龟，提出了一种仿海龟两栖软体机器人。基于电磁驱动装置，本文设计的仿海龟两栖软体机器人能够在路面爬行以及在水面和水底游动。本文主要的研究内容和成果如下： 首先，搭建了一个电磁驱动装置，基于此电磁驱动装置设计了仿海龟两栖软体机器人的驱动策略。本文搭建的电磁驱动装置使用幅值为±24 V且频率可调的方波电场对电磁线圈进行供电，方波电场可使电磁线圈不断改变其磁场极性，与分布在电磁线圈两侧的永磁体配合完成驱动。 其次，设计并组装了soft-robotⅠ、soft-robotⅡ、soft-robotⅢ和soft-robotⅣ四种软体机器人，并对它们的爬行以及游动性能进行了对比研究。结果显示，soft-robotⅠ在路面向后爬行且在水中游动速度较慢；soft-robotⅡ游动速度虽然较快，但在路面时依旧向后爬行；soft-robotⅢ在路面向前爬行，但是游动速度较慢；soft-robotⅣ不仅能在路面上快速向前爬行，而且在水中同样有着较快的游动速度。因此选出soft-robotⅣ为本文最优的仿海龟两栖软体机器人设计方案。围绕路面、软体机器人步态以及驱动频率这三种因素，本文对优选出的soft-robotⅣ进行不同工况下运动行为的研究。结果表明， soft-robotⅣ在聚氯乙烯（PVC）制作的路面，以GaitⅡ这个步态在6 Hz的驱动频率下爬行速度以及游动速度最快。接着探究了soft-robotⅣ的两栖能力，结果表明，所研制的软体机器人soft-robotⅣ能够在不同倾角的斜坡上从陆地运动到水面。在运动过程中，软体机器人能够以大约36 mm/s的最大速度运动。当软体机器人上的阀门打开时，软体机器人骨架空腔就会充满水，从而实现水下游动。在从陆地到水下运动的情况下，软体机器人将以大约34 mm/s的最大速度移动。 最后，基于实验测试和理论计算得到的soft-robotⅣ在不同环境（陆地、水面以及水底）下受到的作用力（摩擦力Ff、弹力Fela、电磁力Fm以及拖曳力Fd），对软体机器人在路面和水中足部的张开与闭合的动力学以及软体机器人前进的动力学进行了分析。soft-robot Ⅳ在路面爬行时受到电磁力Fm、摩擦力Ff以及弹力Fela，进一步分析表明，影响soft-robot Ⅳ足部张开与闭合的力是电磁力Fm，摩擦力在X轴方向的分力Ff-X 以及弹力在X轴方向的分力Fela-X。而影响soft-robotⅣ向前爬行的力为摩擦力在Y轴的分量Ff-Y。分析结果表明，soft-robotⅣ在路面爬行时其足部能够轻松的张开与闭合，且soft-robot Ⅳ能够在路面向前爬行。soft-robot Ⅳ在水面游动时受到电磁力Fm、拖曳力Fd以及弹力Fela，而影响soft-robot Ⅳ在水面游动时足部张开以及闭合的力为电磁力Fm、拖曳力Fd及弹力Fela在X轴方向的分力Fd-X和Fela-X，影响soft-robotⅣ在水面向前游动的力为拖曳力Fd在Y轴的分量Fd-Y。分析结果显示，soft-robot Ⅳ在水面游动时其足部能够轻松的张开与闭合，且soft-robotⅣ能够在水面向前游动。与水面相比，soft-robotⅣ在水底游动时多一个地面对其的摩擦力Fela，分析结果表明，soft-robot Ⅳ在水底游动时其足部也能够轻松的张开与闭合，且soft-robotⅣ能够在水底向前游动。最后基于多组实验结果建立了本两栖软体机器人的运动学模型，很好地揭示机器人在不同条件下的运动行为。 进一步的研究表明，本文设计的软体机器人soft-robotⅣ能够从陆地携带物品并将其定点投放到水面或水底，因此有望应用于海洋环境检测、海洋生物研究以及军事勘测等领域。本文的研究成果有助于推动两栖软体机器人的研究与发展，最终推动两栖软体机器人的实用化进程。
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