松软介质中弧形足运动特性分析及足—蹼复合推进两栖机器人研究

摘要

水陆两栖机器人凭借其既能在陆地推进，又能在水中巡游的特性，能够完成许多陆地或水中单一推进方式的移动机器人所无法完成的两栖任务，例如地质灾害排险救援、农田病虫害状态监测、水陆两栖战场侦察通信等复杂环境下的作业，因此被全世界越来越多的研究人员所关注。目前对于水陆两栖机器人的研究工作大多集中在复合推进机构设计、简单水陆单一环境下的推进性能实验研究等方面，而对于影响水陆两栖机器人走向实用化的机器人推进机构在水陆过渡环境松软介质(如不同含水量的沙质或泥质介质)中的运动特性研究却很少涉及。此外，能够适应水、陆、过渡环境松软介质的合理而有效的两栖复合推进技术也亟待创新，只有了解了推进机构与水陆过渡环境松软介质之间的相互作用规律，建立行之有效的两栖推进方案，才能为将来能够真正服务于人类生产生活的水陆两栖机器人系统提供理论基础和设计准则。因此本研究具有重要的价值和意义。
　　 本论文以兼顾轮式和足式特点的弧形足推进机构与水陆过渡环境松软介质的相互作用机理出发，开展了弧形足在松软介质中推进过程力学行为分析计算、颗粒流仿真分析、松软介质土槽中多变量正交实验研究，基于可变形足-蹼复合两栖推进技术的水陆两栖机器人系统设计，水陆两栖机器人样机陆地、水中、水陆过渡环境推进性能实验测试等研究工作。论文的主要研究内容和成果如下:
　　 (1)对三种常见水陆过渡环境介质(干沙、湿沙、淤泥)进行了三轴抗剪强度测试，初步掌握了其土壤力学特性。通过微元法对弧形足在松软介质中运动的受力情况进行了分析，并利用拖杆实验获得力学模型参数，进而计算出固定旋转轴的不同构型参数下弧形足在一个运动周期内与沙质介质相互作用时推进力、支撑力及驱动力矩的变化规律。利用颗粒流仿真软件(PFC)对同样条件下的弧形足运动行为进行了仿真研究分析，对比所得到的推进力、支撑力及驱动力矩，不同足型的变化趋势基本一致，验证了理论分析方法的可行性及准确度，为弧形足式两栖机器人的机构设计及控制方式提供了设计参考。
　　 (2)自行搭建了水陆过渡环境松软介质实验土槽平台，对不同构型的弧形足在不同含水量的沙质介质、泥质介质环境，不同运动控制参数条件下的推进性能进行实验研究。由于变量多、实验难度较大，采用了正交实验和极差分析的方法，分别以推进过程中所消耗的能量、行进速度及重心起伏量为优化目标，分析了不同变量对推进性能影响的规律。结合之前理论分析及仿真研究的结果，更加深入地了解了弧形足与水陆过渡松软介质之间相互作用的关系，并得到了不同优化目标条件下的最佳参数组合。
　　 (3)基于弧形足在水陆过渡环境下推进时的支撑力和推进力相对平衡这一优点，我们设计了一种基于可变形足-蹼复合两栖推进的水陆两栖机器人(AmphiHex)。它在陆地和过渡环境下利用弧形足行进，在水下通过推进机构变形使其能够依靠蹼的拍动实现多种机动动作。搭建了水陆两栖机器人的电路控制硬件系统。设计了AmphiHex在陆地和水下的常用步态。利用基于Hopf模型的中枢模式发生器(CPG)产生适合陆地和水下推进的步态信号，并初步实现了三角步态和同步步态之间的平顺转换，为CPG仿生控制方式在水陆两栖机器人两栖行为控制提供了新的思路。
　　 (4)对六足-蹼水陆两栖机器人AmphiHex进行了大量实验，测试其环境适应性及两栖推进性能。陆地平坦地面上，机器人最大行走速度可达到约0.49m/s(0.58倍体长);爬坡最大角度约为35°;采用同步步态能够翻越最大高度180mm的垂直障碍物;可爬越单级台阶高度低于160mm的连续台阶。在水下，由于目前壳体阻力较大，最大巡游速度约为0.25m/s(约0.3倍体长);依靠六个蹼的不同动作组合，可实现原地转弯、上升、下潜、紧急制动等机动动作。水陆过渡环境中，通过改变足-蹼状态能够实现有效水陆转换。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 推进机构与松软介质相互作用理论研究现状

1．2．2 基于弧形足推进的移动机器人研究现状

1．2．3 水陆两栖机器人系统国内外研究现状

1．3 目前水陆两栖机器人研究存在的不足及关键问题

1．4 论文研究内容和组织结构

1．4．1 论文研究内容

1．4．2 论文组织结构

第2章 松软介质中弧形足推进理论及仿真研究

2．1 引言

2．2 基于土壤力学理论对水陆过渡环境介质特性的分析

2．2．1 土壤力学相关理论

2．2．2 几种典型水陆过渡环境介质的抗剪强度测试

2．3 基于微元方法的弧形足运动过程受力分析

2．3．1 弧形足与过渡环境相互作用理论模型

2．3．2 理论模型的实验参数获取及分析结果

2．4 两栖机器人弧形足在过渡环境中的运动仿真及受力分析

2．4．1 颗粒流仿真软件简介

2．4．2 过渡环境沙池、弧形足生成及实验设计

2．4．3 过渡环境弧形足运动仿真结果及分析

2．5 本章小结

第3章 松软介质中弧形足推进实验研究

3．1 引言

3．2 水陆过渡环境实验平台设计

3．2．1 水陆过渡环境实验平台硬件设计

3．2．2 双弧形足运动控制和数据采集系统设计

3．3 松软介质中弧形足运动特性实验

3．3．1 水陆过渡环境双足推进实验设计

3．3．2 沙质介质中正交实验结果分析

3．3．3 泥质介质中正交实验结果分析

3．4 本章小结

第4章 基于足-蹼复合推进技术的两栖机器人系统设计

4．1 引言

4．2 六足-蹼两栖机器人机构设计

4．2．1 水陆可变形足-蹼机构的设计

4．2．2 足-蹼复合推进驱动单元设计

4．2．3 壳体及防水密封设计

4．3 六足-蹼两栖机器人电气系统设计

4．3．1 电气系统总体设计

4．3．2 主控制器的选型与设计

4．3．3 电机驱动电路设计

4．4 六足-蹼两栖机器人CPG步态控制方法设计

4．4．1 AmphiHex步态设计

4．4．2 CPG神经元模型的选择

4．4．3 CPG步态控制策略

4．4．4 CPG控制方法的Matlab／Simulink仿真

4．5 本章小结

第5章 六足-蹼两栖机器人水陆推进性能实验研究

5．1 引言

5．2 陆地推进性能测试

5．2．1 平地速度测试

5．2．2 不平整地面速度测试

5．2．3 泥地速度测试

5．2．4 爬坡能力测试

5．2．5 越障能力测试

5．2．6 爬台阶性能测试

5．3 水下推进性能测试

5．3．1 静水中最大巡游速度测试

5．3．2 水中复杂机动动作能力测试

5．4 水陆转换能力及过渡环境推进能力测试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．1．1 论文的主要研究成果

6．1．2 论文的主要创新点

6．2 研究展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢