新型两栖机器人设计及过渡环境下弧形腿运动性能实验研究

摘要

水陆两栖机器人具备在陆地、水中和水陆过渡环境中推进的能力，能够完成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，例如水陆两栖战场排雷、海洋资源的探测、农田病虫害状态监测等两栖环境下的作业，因此两栖机器人研究吸引了越来越多的研究人员的关注。目前两栖机器人的研究工作焦点集中在复合推进机构设计和简单水陆单一环境下的推进性能实验研究等方面。但是两栖机器人在水陆过渡环境松软介质中的运动特性研究很少涉及，另外两栖机器人的推进方式或多或少都存在不满意的地方。针对两栖机器人在松软介质的运动性能研究和推进方式的探索具有重大意义。
　　 借鉴陆地上弧形腿与水中鱼类波动的推进的优点，本论文设计了一种新颖的具有两栖复合推进技术的水陆两栖机器人。在陆地上其以弧形腿行进;在水中以类似鱼类波动的矢量推进;在过渡环境下以弧形腿和波动相结合多模态的运动方式推进。同时本文对弧形腿与过渡环境松软介质的相互作用机理进行了初步的实验研究。论文的主要研究内容和成果如下:
　　 (1)通过调研发现弧形腿在陆地和过渡环境中很强的适应性和水中鱼类的运动效率高的优点，我们设计了一种基于可变形弧形腿-线性鳍的两栖复合推进的水陆两栖机器人(AmphiHex)。在陆地和过渡环境下，推进机构为弧形腿形态，水下推进机构为线性鳍形态，这两种机构可通过变形机构相互相互切换。另外，我们设计了两栖机器人在陆地、水和过渡环境下的运动步态，主要有三角步态、四足同步步态、六足同步步态、复合步态等。
　　 (2)设计了与AmphiHex相配套的电路硬件系统和软件控制系统。软件控制系统包含单腿、双腿和整机三种控制程序，其中单腿控制是两栖机器人运动的基础，双腿控制主要服务于足地实验。采用PID控制器算法进行变形腿的速度控制。
　　 (3)搭建了水陆过渡环境松软介质实验土槽平台。在此基础上开展了不同构型的弧形腿在不同含水量的泥质介质松软环境，不同运动控制参数条件下的运动性能进行实验研究。分别以推进过程中最大推进力、前进速度、重心起伏、推进效率和周期步长为优化目标，分析了不同变量对运动性能影响的规律。通过实验研究加深了对弧形腿与水陆过渡松软介质之间相互作用的关系了解，并得到了不同优化目标条件下的最佳参数组合，为整机运动控制提供了一定的实验依据。
　　 (4)对水陆两栖机器人AmphiHex进行了运动性能进行了大量测试。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°;采用四足同步步态能够翻越最大高度180mm的垂直障碍物(2倍身高）;可爬越单级台阶高度低于160mm的连续台阶。在水下，最大巡游速度约为0.25m/s(约0.3倍体长);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，通过改变推进机构状态能够实现水陆运动模式的切换。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水陆两栖机器人的国外研究现状

1．2．1 水陆两栖机器人的国内研究现状

1．3 论文研究内容和组织架构

1．3．1 论文研究内容

1．3．2 论文组织结构

第2章 两栖机器人的机构设计和步态规划

2．1 两栖机器人机构系统设计

2．2 两栖机器人变形腿设计

2．3 两栖机器人驱动设计

2．4 两栖机器人样机的设计

2．5 步态规划与运动稳定性

2．5．1 足式机器人的经典步态

2．5．2 两栖机器人步态规划

2．5．3 稳定性的分析

2．6 小结

第3章 两栖机器人的控制系统

3．1 控制系统的硬件系统

3．1．1 主控控制最小系统设计

3．1．2 电源电路

3．1．4 主控芯片外围电路设计

3．1．5 直流电机的驱动电路设计

3．2 变形腿运动控制算法

3．2．1 PID控制器原理

3．2．2 数字PID控制器

3．2．3 变形腿的运动控制

3．3 双变形腿控制设计

3．4 两栖机器人整机控制设计

3．5 总结

第4章 过渡环境下的足地实验研究

4．1 足地实验平台设计

4．1．1 机械设计

4．1．2 足地实验平台控制系统的硬件设计

4．1．3 控制系统的软件设计

4．2 足地对比实验设计

4．2．1 足地对比实验变量设计

4．2．2 足地实验评价体系

4．3 足地对比实验结论与分析

4．3．1 最大推进力

4．3．2 前进速度

4．3．3 重心起伏

4．3．4 推进效率

4．3．5 周期步长

4．4 小结

第5章 两栖机器人运动性能测试

5．1 陆地运动性能测试

5．1．1 弧形腿的通过性测试

5．1．2 越障能力测试

5．1．3 爬台阶能力测试

5．1．4 爬坡能力测试

5．2 水下运动性能测试

5．3 水陆过渡环境运动模式转换

5．4 小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

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