仿海蟹机器人游泳桨水动力性能及浮游步态规划方法研究

摘要

经过长期自然选择和进化，生物海蟹具备了陆上行走、海底爬行和水中浮游三种运动特性，广泛生存于岩石、浅滩、强海流等区域。在低速运动状态下海蟹具有运动灵活、隐蔽性强、能量利用率高等特点，将其运动机理应用于两栖仿生机器人的水下推进中，对于探索新型水下驱动方式，提高载体的运动性能具有重要的研究意义和实用价值。
　　桨形游泳足的多驱动特性，使海蟹可以在水下完成多种复杂运动。然而，目前从海蟹运动机理角度探讨游泳足运动过程和生理特性的研究较少，其运动机理尚不清晰，并且游泳桨推进技术在水下机器人上的应用仍处于探索阶段，因此有必要对游泳桨的水下推进机理进行深入研究。本文采用理论计算、数值模拟和实验研究相结合的方法，围绕仿海蟹机器人结构设计、游泳桨推进机理分析、水下浮游步态规划、水下浮游控制方法以及机器人巡游性能测试等方面展开研究。
　　通过对生物海蟹形态结构和运动特征的分析，提出一种足桨混合驱动仿海蟹机器人结构方案，其包含：串并联混合结构步行足、游泳桨、浮力调节装置、减阻外壳、控制舱体以及躯体结构等。机器人利用步行足和游泳桨双重推进装置,可实现陆上行走、海底爬行和水中浮游三种运动功能。在此基础上，根据步行足各关节角度的约束，利用搜索法求解步行足的可达工作空间，并从运动学和动力学两方面对仿海蟹机器人的运动性能进行仿真分析。
　　研究仿海蟹机器人游泳桨的水动力性能。基于并行计算的CFD方法对游泳桨的三维流场进行数值模拟，分析基于升力和阻力模式下游泳桨特征点的运动轨迹、速度攻角与水动力特性间的关系。从轨迹特征、推力产生、涡的演变、尾涡结构和压力场分布等角度阐述不同运动模式水动力的产生机理，并探讨水翼结构参数、时间非对称摆动、推进模式以及游泳桨运动参数对其水下推进性能的影响，从而获得优化的二、三自由度刚性游泳桨升力和阻力运动模式下的运动参数。
　　针对仿海蟹机器人水中浮游运动，提出一种基于中枢模式发生器（CPG）的运动控制方法。采用改进非线性振荡器作为节律信号发生器，通过相邻弱耦合方法构建仿海蟹机器人的CPG神经网络模型，并证明单个神经振荡器模型极限环存在的唯一性和稳定性。在此基础上，通过对双游泳桨协同推进的水动力学性能进行分析，提出并规划仿海蟹机器人前游、倒游、转艏、浮潜等多种水下浮游步态，建立各步态CPG网络参数库，从而实现仿海蟹机器人的三维游动控制。
　　研究仿海蟹机器人浮游运动的目标点跟踪问题。采用牛顿-欧拉法建立仿海蟹机器人水中浮游步态完整的非线性动力学模型，根据所建立的该数学模型对机器人水中浮游的运动性能进行仿真分析，探索仿海蟹机器人水下操纵机理。在此基础上，设计一种基于指数趋近律的滑模变结构控制器，将游泳桨上下拍翼运动和摇翼运动的相位差作为被控量，对机器人的转艏角速率进行控制；通过李亚普诺夫直接法证明该系统可实现全局渐近稳定，并进行仿真分析与实验验证。结果表明：滑模控制可以使机器人具有良好的目标点跟踪能力，并对系统动力学参数不确定性及外界扰动具有较强鲁棒性。
　　为验证游泳桨推进数值模拟的正确性，开展游泳桨推进实验研究。依据游泳桨拍动过程中水动力交变和非定常特点，搭建三自由度游泳桨的水动力测试系统，完成仿海蟹机器人游泳桨循环水槽推进实验，针对特定运动状态对实验结果和 CFD数值仿真结果进行对比分析，阐述仿真与实验之间误差产生的原因；并进一步探讨水翼的截面形状、翼面刚度、各自由度耦合运动参数对游泳桨推进力和推进效率的影响。
　　开展仿海蟹机器人水池实验研究。研制仿海蟹机器人实验样机，搭建水池实验环境，在敞水中完成仿海蟹机器人浮游性能测试和运动控制实验，测定样机在实际环境下的直航、转艏和浮潜性能，并验证基于生物 CPG激发而产生的多模态运动实际效果和目标点跟踪控制算法的可行性。
　　足桨混合驱动是一种新型的仿生推进技术，它采用步行足和游泳桨复合推进方式，使机器人能够根据浅滩地貌环境和作业任务需求自主选择水下行走或水中浮游方式进行运动。该研究成果对于提高机器人浅滩环境适应性和实用性具有重要意义。

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第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 两栖仿生机器人研究综述

1.3 仿生水下推进机理研究现状

1.4 生物控制方法研究现状

1.5 课题来源及论文主要研究内容

第2章 海蟹生理结构研究与仿生结构设计

2.1 引言

2.2 生物海蟹仿生学研究

2.3 仿海蟹机器人仿生结构设计与分析

2.4 本章小结

第3章 仿海蟹机器人游泳桨水动力性能分析

3.1 引言

3.2 仿海蟹机器人游泳桨运动学模型

3.3 单游泳桨水动力数值计算方法

3.4 结构参数及时间非对称摆动方式对水动力性能影响

3.5 游泳桨两自由度拍动水动力性能分析

3.6 游泳桨三自由度拍动水动力性能分析

3.7 本章小结

第4章 基于CPG仿海蟹机器人多模态浮游步态生成

4.1 引言

4.2 仿生游动CPG模型构建

4.3 CPG模型的浮游步态控制方法研究

4.4 本章小结

第5章 浮游步态动力学建模与运动控制策略

5.1 引言

5.2 仿海蟹机器人浮游步态运动学建模

5.3 仿海蟹机器人浮游步态动力学建模与分析

5.4 仿海蟹机器人目标点跟踪控制研究

5.5 本章小结

第6章 仿海蟹机器人水下推进实验研究

6.1 引言

6.2 样机研制及实验平台搭建

6.3 游泳桨水动力性能实验研究

6.4 仿海蟹机器人游动性能实验研究

6.5 仿海蟹机器人运动控制实验

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢