新型兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì)及過(guò)渡環(huán)境下弧形腿運(yùn)動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、水陸兩棲機(jī)器人具備在陸地、水中和水陸過(guò)渡環(huán)境中推進(jìn)的能力，能夠完成陸地或水中單一推進(jìn)方式的移動(dòng)機(jī)器人所無(wú)法完成的兩棲任務(wù)，例如水陸兩棲戰(zhàn)場(chǎng)排雷、海洋資源的探測(cè)、農(nóng)田病蟲(chóng)害狀態(tài)監(jiān)測(cè)等兩棲環(huán)境下的作業(yè)，因此兩棲機(jī)器人研究吸引了越來(lái)越多的研究人員的關(guān)注。目前兩棲機(jī)器人的研究工作焦點(diǎn)集中在復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單水陸單一環(huán)境下的推進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)研究等方面。但是兩棲機(jī)器人在水陸過(guò)渡環(huán)境松軟介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)特性研究很少涉及，另外兩棲機(jī)器人的推進(jìn)方式或多或少都

2、存在不滿(mǎn)意的地方。針對(duì)兩棲機(jī)器人在松軟介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)性能研究和推進(jìn)方式的探索具有重大意義。
　　 借鑒陸地上弧形腿與水中魚(yú)類(lèi)波動(dòng)的推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，本論文設(shè)計(jì)了一種新穎的具有兩棲復(fù)合推進(jìn)技術(shù)的水陸兩棲機(jī)器人。在陸地上其以弧形腿行進(jìn);在水中以類(lèi)似魚(yú)類(lèi)波動(dòng)的矢量推進(jìn);在過(guò)渡環(huán)境下以弧形腿和波動(dòng)相結(jié)合多模態(tài)的運(yùn)動(dòng)方式推進(jìn)。同時(shí)本文對(duì)弧形腿與過(guò)渡環(huán)境松軟介質(zhì)的相互作用機(jī)理進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　 (1)通

3、過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)弧形腿在陸地和過(guò)渡環(huán)境中很強(qiáng)的適應(yīng)性和水中魚(yú)類(lèi)的運(yùn)動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于可變形弧形腿-線性鰭的兩棲復(fù)合推進(jìn)的水陸兩棲機(jī)器人(AmphiHex)。在陸地和過(guò)渡環(huán)境下，推進(jìn)機(jī)構(gòu)為弧形腿形態(tài)，水下推進(jìn)機(jī)構(gòu)為線性鰭形態(tài)，這兩種機(jī)構(gòu)可通過(guò)變形機(jī)構(gòu)相互相互切換。另外，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩棲機(jī)器人在陸地、水和過(guò)渡環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，主要有三角步態(tài)、四足同步步態(tài)、六足同步步態(tài)、復(fù)合步態(tài)等。
　　 (2)設(shè)計(jì)了與AmphiHex相配套

4、的電路硬件系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。軟件控制系統(tǒng)包含單腿、雙腿和整機(jī)三種控制程序，其中單腿控制是兩棲機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，雙腿控制主要服務(wù)于足地實(shí)驗(yàn)。采用PID控制器算法進(jìn)行變形腿的速度控制。
　　 (3)搭建了水陸過(guò)渡環(huán)境松軟介質(zhì)實(shí)驗(yàn)土槽平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了不同構(gòu)型的弧形腿在不同含水量的泥質(zhì)介質(zhì)松軟環(huán)境，不同運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)條件下的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。分別以推進(jìn)過(guò)程中最大推進(jìn)力、前進(jìn)速度、重心起伏、推進(jìn)效率和周期步長(zhǎng)為優(yōu)化目標(biāo)，分析了不

5、同變量對(duì)運(yùn)動(dòng)性能影響的規(guī)律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究加深了對(duì)弧形腿與水陸過(guò)渡松軟介質(zhì)之間相互作用的關(guān)系了解，并得到了不同優(yōu)化目標(biāo)條件下的最佳參數(shù)組合，為整機(jī)運(yùn)動(dòng)控制提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　 (4)對(duì)水陸兩棲機(jī)器人AmphiHex進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了大量測(cè)試。陸地平坦地面上，機(jī)器人最大行走速度可達(dá)到約0.49m/s（0.58倍體長(zhǎng)）;爬坡最大角度約為35°;采用四足同步步態(tài)能夠翻越最大高度180mm的垂直障礙物(2倍身高）;可爬越單級(jí)臺(tái)階