水下自重构机器人游走仿生混合运动研究

摘要

水下自重构机器人融合了水下勘探与作业系统以及陆地自重构机器人的相关技术，是针对复杂环境下结构物检测问题提出的一种全新的水下机器人概念。它在常规水下机器人集中式功能化结构的基础上，将其运动、作业和感知子系统的全部或部分分散至大量相似或相同的智能单元。这些单元互联成网络共同实现总体功能，并可按不同的任务要求，根据系统对自身状态和环境感知的结果，水下动态重构出不同的构形，实现不同的运动方式。游走运动作为水下自重构机器人的主要运动方式，同样起着不可忽视的作用，因为运动性能的优劣直接决定了水下自重构机器人的应用范围和完成任务的能力。
　　本文以实现水下自重构机器人的游走运动为出发点，对水下自重构机器人的动力学建模、基于CPG（Central Pattern Generator）的控制网络、游走运动的稳定性、自重构策略等关键问题进行了研究，提出了新的解决方法并通过大量的仿真和实验进行了验证。论文的主要工作以及贡献如下：
　　（1）针对水下自重构机器人构形复杂多变的特点，提出了基于通路矩阵和Kane方程的统一建模方法。介绍了基于通路矩阵的统一构形描述方法。给出了Kane方法建立运动学和动力学方程的步骤。推导出基于统一构形描述和Kane方程的水下自重构机器人运动学和动力学方程。水下自重构机器人运动学和动力学方程的建立为CPG控制网络、游走运动的稳定性等问题的研究提供了平台。
　　（2）考虑到水下自重构机器人游走运动的节律性特点，提出采用CPG网络控制不同构形的游走运动。详细介绍了幅值可控的相位振荡器模型，并根据该模型创建了适用于水下自重构机器人的双链CPG。详细介绍了由通路矩阵演化出CPG网络的方法，并给出了水下自重构机器人典型构形对应的CPG网络的结构以及输出波形。
　　（3）针对水下自重构机器人特殊的工作环境，分别对游和走两种运动行为的稳定性进行了分析。游动可通过重力和浮力形成的力偶矩（恢复力矩）抵御外界环境的干扰，实现自身的稳定。针对游动过程中构形不断变化且很难确定其重、浮心位置的问题，提出分别计算各个组成模块的恢复力矩，然后以参考模块为基准进行叠加处理的方法。水下行走的稳定性可以分别从力的平衡和力矩的平衡进行分析。提出了针对水流冲击下的整体平移以及足底打滑现象的第一类稳定性判据，以及针对水下行走过程中的整体翻转问题的第二类稳定性判据。给出了水动力作用下的ZMP（ Zero Moment Point）计算方法，以及ZMP是否位于凸多边形内部的判断方法。
　　（4）建立了一套水下自重构机器人自重构策略的专家库系统，给出了构形分类方法、构形描述方法以及影响最优构形选择的因素。采用双重选择机制：首先根据任务种类和水下作业位置筛选出适合的构形；然后以综合最优为选择标准，通过模糊推理和面积中心法，从筛选出的构形中选出最优构形。详细介绍了从当前构形向最优构形转换的方法。
　　（5）为验证理论的有效性，分别构建了水下蛇形构形、水下四足行走构形的仿真验证平台，实现了水下蛇形构形的自适应游动和头部震荡控制，并分析了弹簧阻尼系数以及CPG参数对水下四足行走构形行走速度的影响。通过水池实验验证了CPG控制网络在水下蛇形构形游动和蠕动中的有效性。
　　本文有关水下自重构机器人游走运动的理论研究，有助于提高机器人的运动能力，拓展机器人的应用领域，并为水下自重构机器人的后续研究提供了理论基础和验证平台。

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目录

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2自重构机器人研究现状

1.3游走运动的研究现状

1.4 USR关键技术

1.5本文研究内容

第二章 水下自重构机器人Kane动力学建模

2.1 引言

2.2 水下自重构机器人建模的几个关键问题

2.3 水下自重构机器人Kane动力学模型

2.4本章小结

第三章 基于CPG的游走仿生混合运动行为的生成

3.1引言

3.2 CPG的设计方法

3.3基于CPG的游走仿生混合运动行为的生成网络

3.4 典型构形对应的CPG网络结构及输出波形

3.5本章小结

第四章 水下自重构机器人稳定性分析

4.1引言

4.2水下自重构机器人游动构形的稳定性分析

4.3水下自重构机器人行走构形的稳定性分析

4.4本章小结

第五章 水下自重构机器人自重构策略

5.1引言

5.2模块简介

5.3 构形规划

5.4连接规划

5.5本章小结

第六章 游走运动仿真及实验验证

6.1引言

6.2水下蛇形构形的运动仿真及实验验证

6.3水下四足行走构形的运动仿真

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2创新点

7.3展望

参考文献

附录A水下蛇形构形Kane动力学建模实例

附录B水下四足行走构形Kane动力学建模实例

致谢

以第一作者身份发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目