仿生两栖机器人步态规划及控制方法研究

作     者：杜继展 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王志东

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：仿生两栖机器人 陆地行走机理 步态规划 运动控制 

摘      要：仿生两栖机器人是一种可以在水中和陆地运动并自由跨越水陆两种环境的新概念机器人,其设计灵感来源于动物的身体结构和运动方式,它们具有高效的障碍物克服能力、强大的机动性、快速的陆地-水下转换能力和环境适应性。可以满足陆地、近海滩涂和复杂水下环境的作业任务需求,在军事和民用领域都有广阔的应用背景。传统的水下机器人大多采用螺旋桨方式推进,存在着噪音大,对环境干扰大,机动性能和隐蔽性能不佳等问题。为克服现有推进器存在的缺陷,研究人员一直在探索新的推进形式。在自然界中,几十万年来鱼类通过不断地进化,拥有了在水中优越的运动能力。蛇类在陆地具有超常的运动能力,二者均基于波动原理行走或推进。本文以尼罗河魔鬼鱼为仿生对象,研发一种仿生两栖机器人,重点开展了仿生两栖机器人不同环境下的步态规划及控制策略研究,完成了理论建模、仿真分析和试验验证。详细工作内容如下:(1)选取尼罗河魔鬼鱼柔性长背鳍为研究对象,通过观察与形态分析,归纳出其形态结构与运动特性,分析其推进机理与运动规律,构建其运动学模型,并对模型进行仿真验证,从而为研发两栖仿生机器人样机提供设计依据与理论依据。(2)根据柔性长背鳍波动运动特点,通过对其推进装置运动状态的分析,得到其陆地运动的原理。简化其陆地推进运动形式,将波动鳍的三维运动转化为二维的运动形式。针对地面运动,对波动鳍的简化形式进行建模并导入动力学分析软件ADAMS中进行仿真分析。(3)基于仿生两栖机器人的运动学模型,确定了控制两侧波动鳍运动的可调参数,通过对其前进、后退,转向,上浮下潜等运动模态的分析,设计仿生两栖机器人不同环境下的运动步态和步态转换方案,结合机器人时变性、强耦合和非线性等特点,建立基于Hopf神经网络的CPG控制系统,提出了一种改进的CPG网络模型,用于生成具有9根鳍射线的波动鳍的节律信号,以模拟仿生两栖波动鳍机器人运动。改进后的CPG网络由9个具有双向扰动的链式耦合振荡器组成,其能够实现仿生两栖机器人的运动控制。(4)通过试验测试了机器人水中步态及陆地步态,验证了机器人在水下和陆地的运动能力和运动性能,验证了步态规划的可行性,说明其仿生两栖机器人的可以适应两栖环境。