新型兩棲機器人設計及過渡環(huán)境下弧形腿運動性能實驗研究.pdf

1、水陸兩棲機器人具備在陸地、水中和水陸過渡環(huán)境中推進的能力，能夠完成陸地或水中單一推進方式的移動機器人所無法完成的兩棲任務，例如水陸兩棲戰(zhàn)場排雷、海洋資源的探測、農田病蟲害狀態(tài)監(jiān)測等兩棲環(huán)境下的作業(yè)，因此兩棲機器人研究吸引了越來越多的研究人員的關注。目前兩棲機器人的研究工作焦點集中在復合推進機構設計和簡單水陸單一環(huán)境下的推進性能實驗研究等方面。但是兩棲機器人在水陸過渡環(huán)境松軟介質中的運動特性研究很少涉及，另外兩棲機器人的推進方式或多或少都

2、存在不滿意的地方。針對兩棲機器人在松軟介質的運動性能研究和推進方式的探索具有重大意義。
　　 借鑒陸地上弧形腿與水中魚類波動的推進的優(yōu)點，本論文設計了一種新穎的具有兩棲復合推進技術的水陸兩棲機器人。在陸地上其以弧形腿行進;在水中以類似魚類波動的矢量推進;在過渡環(huán)境下以弧形腿和波動相結合多模態(tài)的運動方式推進。同時本文對弧形腿與過渡環(huán)境松軟介質的相互作用機理進行了初步的實驗研究。論文的主要研究內容和成果如下:
　　 (1)通

3、過調研發(fā)現弧形腿在陸地和過渡環(huán)境中很強的適應性和水中魚類的運動效率高的優(yōu)點，我們設計了一種基于可變形弧形腿-線性鰭的兩棲復合推進的水陸兩棲機器人(AmphiHex)。在陸地和過渡環(huán)境下，推進機構為弧形腿形態(tài)，水下推進機構為線性鰭形態(tài)，這兩種機構可通過變形機構相互相互切換。另外，我們設計了兩棲機器人在陸地、水和過渡環(huán)境下的運動步態(tài)，主要有三角步態(tài)、四足同步步態(tài)、六足同步步態(tài)、復合步態(tài)等。
　　 (2)設計了與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、雙腿和整機三種控制程序，其中單腿控制是兩棲機器人運動的基礎，雙腿控制主要服務于足地實驗。采用PID控制器算法進行變形腿的速度控制。
　　 (3)搭建了水陸過渡環(huán)境松軟介質實驗土槽平臺。在此基礎上開展了不同構型的弧形腿在不同含水量的泥質介質松軟環(huán)境，不同運動控制參數條件下的運動性能進行實驗研究。分別以推進過程中最大推進力、前進速度、重心起伏、推進效率和周期步長為優(yōu)化目標，分析了不

5、同變量對運動性能影響的規(guī)律。通過實驗研究加深了對弧形腿與水陸過渡松軟介質之間相互作用的關系了解，并得到了不同優(yōu)化目標條件下的最佳參數組合，為整機運動控制提供了一定的實驗依據。
　　 (4)對水陸兩棲機器人AmphiHex進行了運動性能進行了大量測試。陸地平坦地面上，機器人最大行走速度可達到約0.49m/s（0.58倍體長）;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）;可爬越單級臺階