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舰船科学技术 2024年第3期46卷 105-111页

作者：翟亚东唐元贵中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院辽宁沈阳110169 辽宁省水下机器人重点实验室辽宁沈阳110169 中国科学院大学北京100049

与常规水下机器人不同,全海深水下机器人面临万米的垂直剖面水深,当前全海深水下机器人的潜浮过程占据了其入水后的大部分时间,导致全海深水下机器人运动效率不高。本文通过对潜浮运动模式及低阻构形方式的分析,结合变形—变结构水下机... 详细信息

与常规水下机器人不同,全海深水下机器人面临万米的垂直剖面水深,当前全海深水下机器人的潜浮过程占据了其入水后的大部分时间,导致全海深水下机器人运动效率不高。本文通过对潜浮运动模式及低阻构形方式的分析,结合变形—变结构水下机器人的设计思想,构建了一种适应于水下水平面与垂直面的高效运动模式,提出一种面向全海深高效运动的自变形水下机器人的实现方法。在对自变形水下机器人潜浮阶段与海底直航阶段运动进行模型分析的基础上,提出基于有效工作时间的运动效率评价方法。最后结合流体仿真软件Fluent对阻力系数的辨识,对自变形水下机器人的运动效率进行评估,验证了该自变形的构形方式相较于传统回转外形构形方式在面向全海深工作环境的高效性。

关键词：全海深水下机器人自变形高效运动

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尾部带有推进器的水下蛇形机器人的高效运动模式

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机器人 2023年第4期45卷 462-471页

作者：高明孔德天任超张婧一马书根天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072 立命馆大学机器人系日本滋贺525-8577

目前水下机器人已经在海洋开发中的探查、监控、搜救和维护等领域广泛应用。而水下蛇形机器人作为多关节、高灵活性的水下机器人,在运动效率、功能执行、环境适应、自主学习等方面相比传统水下机器人更具优势。本文针对一类尾部带有推... 详细信息

目前水下机器人已经在海洋开发中的探查、监控、搜救和维护等领域广泛应用。而水下蛇形机器人作为多关节、高灵活性的水下机器人,在运动效率、功能执行、环境适应、自主学习等方面相比传统水下机器人更具优势。本文针对一类尾部带有推进器的水下蛇形机器人的运动效率问题,提出了一种结合蜿蜒运动和推进器推进的高效运动模式。首先建立水下蛇形机器人动力学模型。然后通过运输经济度量法来评价蛇形机器人的运动效率,基于此评价方法采用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对3个蜿蜒步态参数(关节运动的幅值、关节运动的频率、关节之间的相位角偏差)和推进器推力共4个运动参数进行仿真优化。优化结果表明,在3种运动模式中:在低速段采用蜿蜒模式效率最高;在中速段,采用蜿蜒运动与推进器推进相结合的混合运动模式效率最优,该情况下不仅能够达到蜿蜒模式难以达到的速度,而且整体的运动效率高于推进器模式;在高速段,仅由推进器提供动力具有最高的运动效率和最大前向运动速度。最后,通过水池实验,验证了所提出的运动模式的有效性,该模式可以最大程度地发挥带有推进器的水下蛇形机器人的运动能力,提高机器人的运动效率,并延长其电池续航时间。

关键词：水下蛇形机器人推进器多目标优化高效运动 NSGA-Ⅱ 蜿蜒步态

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带有推进器的水下蛇形机器人高效运动模式研究

带有推进器的水下蛇形机器人高效运动模式研究

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作者：孔德天天津大学

学位级别：硕士

随着国家对海洋的开发,水下机器人的需求越来越多。在众多水下机器人中,水下仿生蛇形机器人由于其独特的结构和运动方式可以应用在很多场合,诸如军事侦察、水质监测、水下救援、海底设备的巡视和维护等任务。因此对水下蛇形机器人的研... 详细信息

随着国家对海洋的开发,水下机器人的需求越来越多。在众多水下机器人中,水下仿生蛇形机器人由于其独特的结构和运动方式可以应用在很多场合,诸如军事侦察、水质监测、水下救援、海底设备的巡视和维护等任务。因此对水下蛇形机器人的研究具有重要意义。但是,传统的水下蛇形机器人运动速度较慢,且狭小空间的通过能力较差。因此,本文设计了一种带有推进器的水下蛇形机器人,可以提高传统水下蛇形机器人的运动速度和狭小空间的通过能力,并对其高效运动模式和推进器的安装位置展开了研究。首先,介绍了一款由课题组自行设计开发的带有推进器的水下蛇形机器人样机平台,并对其外形结构、软硬件系统和外部测量装置进行了详细的介绍。本文采用迭代牛顿-欧拉法对水下蛇形机器人进行建模。其次,本文针对尾部带有推进器的水下蛇形机器人,研究了其在蜿蜒运动与推进器推进结合时的运动模式。通过NSGA-Ⅱ多目标优化算法,进行优化仿真,得到速度和功率的最优曲线图,并获得相应的参数解集。根据仿真结果,首次提出了一种尾部带有推进器的水下蛇形机器人高效运动模式:低速阶段,采用蜿蜒运动模式;中速阶段,采用蜿蜒运动与推进器推进相结合的混合运动模式;高速阶段,采用推进器推进的运动模式。这种运动模式既能提高蛇形机器人的运行速度又能提高其在中高速段的运动效率。最终,通过水池实验,验证了所提出的运动模式。最后,本文针对推进器的安装位置对水下蛇形机器人运动效率的影响展开研究。文章分别分析了在蜿蜒步态和仿鳗步态两种典型步态下,推进器安装在头部和尾部时对蛇形机器人运动效率的影响。仿真结果表明,蜿蜒步态下,推进器不同安装位置对运动效率的影响较小;仿鳗步态下,推进器安装在头部时的运动效率高于推进器安装在尾部。此外,还对比分析了推进器安装在尾部时,蜿蜒步态和仿鳗步态的运动效率,发现仿鳗步态的运动效率高于蜿蜒步态。最终,通过水池实验,验证了仿真结果。

关键词：水下蛇形机器人推进器多目标优化高效运动 NSGA-Ⅱ

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