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摘要：水黾在水面上具有良好的稳定性与优异的驱动模式，基于仿生学的原理，设计出了一种新型水上行走机器人，该机器人利用不完全缺齿轮机构以及桨叶-挡板系统实现了水面上的定向运动，同时引用升降系统并搭载无线摄像头，不仅实现了对目标水域的视频取样，而且增加了摄像的视野，有效的保护了机载设施。基于虚拟样机技术，对水上行走机器人进行三维建模与运动仿真，利用3D打印与线切割技术，实现了水上行走机器人的样机制作。
关 键 词：水上行走机器人；仿生学；缺齿轮机构；桨叶-挡板机构；升降系统
中图分类号：TH122；TH112；TP242文献标识码：A
0引言
仿生机器人是当今机器人研究领域的前沿课题，模拟生物体各种特定条件下某方面的卓越功能，是仿生机器人所要达到的目标。
自从美国麻省理工学院的约翰·布什教授设计出了全世界第一个能够在水面站立和移动的仿水黾机器人[1]以来，各国都在进行着水黾机器人的相关研究。2004年卡内基梅隆大学的迈汀·斯廷完成了微型仿水黾机器人[2]。清华大学吴立成等人于2005年、2010年分别设计出了Water Dancer[3]与Water DancerII[4]，新型机器人采用双电机驱动，能转向和调速，采用红外信号实现了遥控水上行走。
目前国内外对于水黾研究的课题主要集中在水黾的机械結构设计以及超疏水性材料的研究，本课题基于哈尔滨工业大学Zhao J等研制出的水上行走机器人[5]的理论基础，如图1所示，对其驱动机构进行了优化，同时引入了升降系统，将水黾的生物模型作为应用载体，在满足水面上自由行走的同时可以搭载设备，实现对目标区域的视频取样，为水黾机器人提供了应用前景。
1 水黾生物模型的研究
水黾水上行走具有其独到的天然优势，据实验研究[6]表明，水黾水上行走模式具有良好的水面适应能力和水质适应能力。
自然界中的水黾在运动方式简单却十分有效，麻省理工大学的约翰·布什教授[1]对水黾的运动过程进行跟踪拍摄，如图2所示。
不难看出，水黾生物模型其前后四条腿保持与水面接触，主要起支撑作用，其左右两条腿为驱动腿，便于运动的调节。
当水黾向前运动时，其前后四条腿保持与水面接触，左右两条驱动腿按相同的运动规律前后划动，不同时刻运动位置相同，这样就能保证水黾平衡地向前运动；当水黾做拐弯运动时，水黾前后四条支撑腿保持不动，仅令一条驱动腿运动，就可以实现水黾的向左拐弯运动。
2 仿水黾机器人的研究
2.1 驱动机构的设计与研究
根据对水黾生物模型的研究，水黾的运动模式具有周期性和间歇性的特点。本研究采用不完全缺齿机构实现机器人的定向运动，水上行走机器人的3D模型如图3所示。
水上行走机器人的整体驱动结构由两个直流电机，两组不完整锥齿轮组，两根带档板的划水杆以及两只桨叶构成。
直流电机采用传统的N20马达并配有减速装置，减速比为1：250，经试验测试，在3V电压下，电机经减速后的空载转速为30rpm/min，扭矩可达到30kg/m，可以满足两条驱动腿的驱动需求。
对于一个驱动电机而言，其输出端与上方不完整锥齿轮相连，下方锥齿轮为完整齿轮，其一端与划水杆相连，同时在下方锥齿轮处固连一个支撑杆，与水上机器人前端的支撑杆以弹簧相连。当电机转动的时候，划水装置整体向机身后方摆动，当运动到不完整齿轮处时，由于弹簧的作用使其向机身前方摆动，当恢复到初始位置时，上方齿轮有齿部分会继续与下方齿轮啮合，从而实现驱动腿的周期性往复运动。划水杆两个挡板的夹角为120°，当划水杆在电机的作用下向后摆动时，在水流的作用下也会产生逆时针的扭转力矩，由于挡板的作用会使桨叶处于竖直状态，提供前进的推力。当运动到不完全齿轮处时，由于弹簧的作用使划水板向前运动，此时左侧上缘流速快，下缘流速慢，会产生顺时针的扭转力矩，为防止桨叶过度偏移造成系统的不稳定，在与竖直挡板夹角120°处设置挡板。
对比两个过程，划水杆向后摆动时，会产生向前的推力，而在弹簧作用下，由于桨叶与水面成一定角度，相对垂直状态阻力会有所减小，整个周期过程的总推力是向前的。
由于水上行走机器人的推动力由左右两个电机控制，在水面形成转向运动时只需关闭一台电机，仅令一台电机工作便可实现其运动要求。
2.2 升降系统的设计与研究
水上行走机器人的应用价值主要在于其作为载体所体现的优势，因此如何充分地发挥机载设备的能力，有效地保护机载设施是至关重要的。
目前国内外的所有研究都只针对于载体的运动模型以及超疏水性材料的研究，至今尚未有相关研究阐述如何有效地保护机载设施，发挥设备的性能。
水上行走机器人为充分发挥机载摄像头的优势，保护机载设施，设计出了一套升降系统，如图5所示。
升降系统由丝杆电机，固定支柱以及升降平台组成，升降平台上搭载无线摄像头，通过丝杆电机的驱动使得升降平台升降。当升降平台上升时，可以使无线摄像头伸出机壳之外，使其有更好视野的同时也增强了无线信号，当升降平台下降时，可以使无线摄像头处于机壳之内，可以有效地保护机载设施，充分实现载体的优势。
2.3视频采集与无线传输
近几年各种数字电子机器采用WLAN，以及蓝牙进行连接的情况相当普遍，在此同时利用网路连结的电子设备，除了个人电脑与可携带资讯终端机之外，甚至扩展到影像、音响等领域，可以满足时代需求的无线通信技术之一，亦即UWB（Ultra Wide Band）通信技术，是频宽介于3.1-10.6GHz的UWB通信技术。虽然UWB属于短距离通信技术，不过它能够应用其超频宽进行高速无线通信[7]。
在移动通讯传输中，几种无线通讯传输方式速度与传输距离的比较，如图6所示。 可以看出，UWB方式在短距离内传输速度最快，满足实验室条件下的传输实时视频数据的要求，本课题采用了UWB方式进行无线传输。
UWB短距离时可以作高速通信，不过随着距离的增加，它的吞吐量却急剧下降，如图7所示。因此实验室条件下要尽量使机器人的距离与UWB接收模块的距离不超过10m。在10m的范围内UWB能够实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率[8]。
2.4整体机构的设计与研究
水上行走机器人主体由上下两个外壳、相应的驱动机构、升降系统以及三个浮萍构成。限于技术水平和资金能力，本研究中运用水的的浮力而不是表面张力来实现机器人的漂浮姿态。
对于机身整体而言，浮力主要由三个由泡沫制成的浮萍来提供。下外壳为机身的主体，主要负责搭载机载设施，上外壳由外壳主体，保护盖以及磁铁构成以保证机身整体的防水性。
3 仿水黾机器人样机的制作
3.1 零件材料与加工工艺的选择
综合考虑到加工难度、成本、精度以及材料的密度和抗张强度因素，水上行走机器人的齿轮机构，下外壳以及所有的杆件均使用密度较小，强度较高，加工成本较低的铝合金制成。对于上外壳以及机载平台，考虑到加工精度以及抗锈蚀程度问题，采用较为先进的3D打印技术，使用抗锈蚀能力强，質量较轻的塑料制成。由于保护盖子需要被磁铁吸引以确保其封闭性及防水性能，故采用A3钢材料。
3.2 控制系统的设计
机器人的控制系统由上位机和下位机两个部分组成。上位机和下位机之间通过无线传输模块nRF2401进行通信。控制系统的结构框图如图8所示。
上位机主要包括上位机软件界面和无线发送模块。下位机主要包括无线接收模块、主控模块、运动驱动模块、升降驱动模块等几个部分。无线接收模块接收到上位机发送来的指令后，再通过主控模块将指令发送给被控对象，从而实现对机器人的控制。下位机的主控模块采用的是Atmel公司的ATmega16芯片。
根据水上行走机器人运动控制方案，设计了运动控制软件系统。控制系统软件部分主要包括主程序和子程序。主程序完成系统参数初始化、循环检测外部控制信号、消抖处理和调用相应子程序的功能。
动作子程序包括前进、左转和右转3个子程序，通过控制两个直流电机及升降系统中步进电机的转动情况实现对机器人运动的控制。升降子程序包括上升和下降2个子程序，控制视频采集模块的上升下降以及摄像头的开关。运动部分主程序流程图如图9（a）所示，升降部分主程序流程图如图9（b）所示。
水上行走机器人样机质量为0.205kg，展向长度为0.19m，最大宽度0.37m，通过测试发现，水上行走机器人在水面的运动较为稳定，升降系统运行良好，通过无线传输设施可以实现对目标区域的视频采集。
4总结与展望
水上行走机器人作为水上运动的载体，具有小型化以及灵活性的特点，通过加载不同的机载设施可以实现其多功能化。
本文设计研究的类水黾水上行走机器人基于Zhao J等人的研究基础，主要从机器人作为载体的功能性着手，设计出升降系统，既保护机载设施又充分发挥了机载设施的性能，同时基于仿生学原理，利用水黾水上行走的天然优势，设计制造出在水面可以实现定向运动并能对目标区域进行视频采集的水上行走机器人。
水上行走机器人的研究作为当今机器人研究领域的前沿课题，在研究超疏水性材料以及机构设计的基础上，还应着重研究水上行走机器人的多功能化、远距离控制能力以及续航能力，把水上行走机器人的研究推广到实用阶段。
参考文献：
[1] Hu D L， Chan B， Bush J W M. The hydrodynamics of water strider locomotion[J]. Nature， 2003， 424（6949）： 663-666.
[2] Suhr S H， Song Y S， Lee S J， et al. Biologically Inspired Miniature Water Strider Robot[C]//Robotics： Science and Systems. 2005： 319-326.
[3] 吴立成， 丁樑， 郭栋. 水上漂浮仿生水 黾机器人[D]. ， 2006.
[4] 吴立成， 孙富春， 袁海斌. 水上行走机器 人[J]. 机器人， 2010， 32（003）： 443-448.
[5] Zhao J， Zhang X， Chen N， et al. Why Superhydrophobicity Is Crucial for a Water-Jumping Microrobot Experimental and Theoretical Investigations[J]. ACS Applied Materials & Interfaces， 2012， 4（7）： 3706-3711.
[6] Gao X， Jiang L. Biophysics： water-repellent legs of water striders[J]. Nature， 2004， 432（7013）： 36-36.
[7] 王春光， 周正. 超宽带无线通信标准的演进 与展望[J]. 电信技术， 2004， 6： 28-30.
[8] 约瑟夫， 曹志刚. 超宽带 （UWB） 通信的标 准化现状[J]. 信息技术与标准化 （7）： 24-29.
关 键 词：水上行走机器人；仿生学；缺齿轮机构；桨叶-挡板机构；升降系统
中图分类号：TH122；TH112；TP242文献标识码：A
0引言
仿生机器人是当今机器人研究领域的前沿课题，模拟生物体各种特定条件下某方面的卓越功能，是仿生机器人所要达到的目标。
自从美国麻省理工学院的约翰·布什教授设计出了全世界第一个能够在水面站立和移动的仿水黾机器人[1]以来，各国都在进行着水黾机器人的相关研究。2004年卡内基梅隆大学的迈汀·斯廷完成了微型仿水黾机器人[2]。清华大学吴立成等人于2005年、2010年分别设计出了Water Dancer[3]与Water DancerII[4]，新型机器人采用双电机驱动，能转向和调速，采用红外信号实现了遥控水上行走。
目前国内外对于水黾研究的课题主要集中在水黾的机械結构设计以及超疏水性材料的研究，本课题基于哈尔滨工业大学Zhao J等研制出的水上行走机器人[5]的理论基础，如图1所示，对其驱动机构进行了优化，同时引入了升降系统，将水黾的生物模型作为应用载体，在满足水面上自由行走的同时可以搭载设备，实现对目标区域的视频取样，为水黾机器人提供了应用前景。
1 水黾生物模型的研究
水黾水上行走具有其独到的天然优势，据实验研究[6]表明，水黾水上行走模式具有良好的水面适应能力和水质适应能力。
自然界中的水黾在运动方式简单却十分有效，麻省理工大学的约翰·布什教授[1]对水黾的运动过程进行跟踪拍摄，如图2所示。
不难看出，水黾生物模型其前后四条腿保持与水面接触，主要起支撑作用，其左右两条腿为驱动腿，便于运动的调节。
当水黾向前运动时，其前后四条腿保持与水面接触，左右两条驱动腿按相同的运动规律前后划动，不同时刻运动位置相同，这样就能保证水黾平衡地向前运动；当水黾做拐弯运动时，水黾前后四条支撑腿保持不动，仅令一条驱动腿运动，就可以实现水黾的向左拐弯运动。
2 仿水黾机器人的研究
2.1 驱动机构的设计与研究
根据对水黾生物模型的研究，水黾的运动模式具有周期性和间歇性的特点。本研究采用不完全缺齿机构实现机器人的定向运动，水上行走机器人的3D模型如图3所示。
水上行走机器人的整体驱动结构由两个直流电机，两组不完整锥齿轮组，两根带档板的划水杆以及两只桨叶构成。
直流电机采用传统的N20马达并配有减速装置，减速比为1：250，经试验测试，在3V电压下，电机经减速后的空载转速为30rpm/min，扭矩可达到30kg/m，可以满足两条驱动腿的驱动需求。
对于一个驱动电机而言，其输出端与上方不完整锥齿轮相连，下方锥齿轮为完整齿轮，其一端与划水杆相连，同时在下方锥齿轮处固连一个支撑杆，与水上机器人前端的支撑杆以弹簧相连。当电机转动的时候，划水装置整体向机身后方摆动，当运动到不完整齿轮处时，由于弹簧的作用使其向机身前方摆动，当恢复到初始位置时，上方齿轮有齿部分会继续与下方齿轮啮合，从而实现驱动腿的周期性往复运动。划水杆两个挡板的夹角为120°，当划水杆在电机的作用下向后摆动时，在水流的作用下也会产生逆时针的扭转力矩，由于挡板的作用会使桨叶处于竖直状态，提供前进的推力。当运动到不完全齿轮处时，由于弹簧的作用使划水板向前运动，此时左侧上缘流速快，下缘流速慢，会产生顺时针的扭转力矩，为防止桨叶过度偏移造成系统的不稳定，在与竖直挡板夹角120°处设置挡板。
对比两个过程，划水杆向后摆动时，会产生向前的推力，而在弹簧作用下，由于桨叶与水面成一定角度，相对垂直状态阻力会有所减小，整个周期过程的总推力是向前的。
由于水上行走机器人的推动力由左右两个电机控制，在水面形成转向运动时只需关闭一台电机，仅令一台电机工作便可实现其运动要求。
2.2 升降系统的设计与研究
水上行走机器人的应用价值主要在于其作为载体所体现的优势，因此如何充分地发挥机载设备的能力，有效地保护机载设施是至关重要的。
目前国内外的所有研究都只针对于载体的运动模型以及超疏水性材料的研究，至今尚未有相关研究阐述如何有效地保护机载设施，发挥设备的性能。
水上行走机器人为充分发挥机载摄像头的优势，保护机载设施，设计出了一套升降系统，如图5所示。
升降系统由丝杆电机，固定支柱以及升降平台组成，升降平台上搭载无线摄像头，通过丝杆电机的驱动使得升降平台升降。当升降平台上升时，可以使无线摄像头伸出机壳之外，使其有更好视野的同时也增强了无线信号，当升降平台下降时，可以使无线摄像头处于机壳之内，可以有效地保护机载设施，充分实现载体的优势。
2.3视频采集与无线传输
近几年各种数字电子机器采用WLAN，以及蓝牙进行连接的情况相当普遍，在此同时利用网路连结的电子设备，除了个人电脑与可携带资讯终端机之外，甚至扩展到影像、音响等领域，可以满足时代需求的无线通信技术之一，亦即UWB（Ultra Wide Band）通信技术，是频宽介于3.1-10.6GHz的UWB通信技术。虽然UWB属于短距离通信技术，不过它能够应用其超频宽进行高速无线通信[7]。
在移动通讯传输中，几种无线通讯传输方式速度与传输距离的比较，如图6所示。 可以看出，UWB方式在短距离内传输速度最快，满足实验室条件下的传输实时视频数据的要求，本课题采用了UWB方式进行无线传输。
UWB短距离时可以作高速通信，不过随着距离的增加，它的吞吐量却急剧下降，如图7所示。因此实验室条件下要尽量使机器人的距离与UWB接收模块的距离不超过10m。在10m的范围内UWB能够实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率[8]。
2.4整体机构的设计与研究
水上行走机器人主体由上下两个外壳、相应的驱动机构、升降系统以及三个浮萍构成。限于技术水平和资金能力，本研究中运用水的的浮力而不是表面张力来实现机器人的漂浮姿态。
对于机身整体而言，浮力主要由三个由泡沫制成的浮萍来提供。下外壳为机身的主体，主要负责搭载机载设施，上外壳由外壳主体，保护盖以及磁铁构成以保证机身整体的防水性。
3 仿水黾机器人样机的制作
3.1 零件材料与加工工艺的选择
综合考虑到加工难度、成本、精度以及材料的密度和抗张强度因素，水上行走机器人的齿轮机构，下外壳以及所有的杆件均使用密度较小，强度较高，加工成本较低的铝合金制成。对于上外壳以及机载平台，考虑到加工精度以及抗锈蚀程度问题，采用较为先进的3D打印技术，使用抗锈蚀能力强，質量较轻的塑料制成。由于保护盖子需要被磁铁吸引以确保其封闭性及防水性能，故采用A3钢材料。
3.2 控制系统的设计
机器人的控制系统由上位机和下位机两个部分组成。上位机和下位机之间通过无线传输模块nRF2401进行通信。控制系统的结构框图如图8所示。
上位机主要包括上位机软件界面和无线发送模块。下位机主要包括无线接收模块、主控模块、运动驱动模块、升降驱动模块等几个部分。无线接收模块接收到上位机发送来的指令后，再通过主控模块将指令发送给被控对象，从而实现对机器人的控制。下位机的主控模块采用的是Atmel公司的ATmega16芯片。
根据水上行走机器人运动控制方案，设计了运动控制软件系统。控制系统软件部分主要包括主程序和子程序。主程序完成系统参数初始化、循环检测外部控制信号、消抖处理和调用相应子程序的功能。
动作子程序包括前进、左转和右转3个子程序，通过控制两个直流电机及升降系统中步进电机的转动情况实现对机器人运动的控制。升降子程序包括上升和下降2个子程序，控制视频采集模块的上升下降以及摄像头的开关。运动部分主程序流程图如图9（a）所示，升降部分主程序流程图如图9（b）所示。
水上行走机器人样机质量为0.205kg，展向长度为0.19m，最大宽度0.37m，通过测试发现，水上行走机器人在水面的运动较为稳定，升降系统运行良好，通过无线传输设施可以实现对目标区域的视频采集。
4总结与展望
水上行走机器人作为水上运动的载体，具有小型化以及灵活性的特点，通过加载不同的机载设施可以实现其多功能化。
本文设计研究的类水黾水上行走机器人基于Zhao J等人的研究基础，主要从机器人作为载体的功能性着手，设计出升降系统，既保护机载设施又充分发挥了机载设施的性能，同时基于仿生学原理，利用水黾水上行走的天然优势，设计制造出在水面可以实现定向运动并能对目标区域进行视频采集的水上行走机器人。
水上行走机器人的研究作为当今机器人研究领域的前沿课题，在研究超疏水性材料以及机构设计的基础上，还应着重研究水上行走机器人的多功能化、远距离控制能力以及续航能力，把水上行走机器人的研究推广到实用阶段。
参考文献：
[1] Hu D L， Chan B， Bush J W M. The hydrodynamics of water strider locomotion[J]. Nature， 2003， 424（6949）： 663-666.
[2] Suhr S H， Song Y S， Lee S J， et al. Biologically Inspired Miniature Water Strider Robot[C]//Robotics： Science and Systems. 2005： 319-326.
[3] 吴立成， 丁樑， 郭栋. 水上漂浮仿生水 黾机器人[D]. ， 2006.
[4] 吴立成， 孙富春， 袁海斌. 水上行走机器 人[J]. 机器人， 2010， 32（003）： 443-448.
[5] Zhao J， Zhang X， Chen N， et al. Why Superhydrophobicity Is Crucial for a Water-Jumping Microrobot Experimental and Theoretical Investigations[J]. ACS Applied Materials & Interfaces， 2012， 4（7）： 3706-3711.
[6] Gao X， Jiang L. Biophysics： water-repellent legs of water striders[J]. Nature， 2004， 432（7013）： 36-36.
[7] 王春光， 周正. 超宽带无线通信标准的演进 与展望[J]. 电信技术， 2004， 6： 28-30.
[8] 约瑟夫， 曹志刚. 超宽带 （UWB） 通信的标 准化现状[J]. 信息技术与标准化 （7）： 24-29.