基于CPG神經網絡的兩棲機器人運動控制研究.pdf

1、隨著人類探索未知世界的腳步不斷加快，各個行業(yè)內對復雜環(huán)境下保持高機動性的移動機器人的需求日益普及。而兩棲機器人以其在陸地、水中及水陸過渡地形等環(huán)境中較強的適應能力，在軍事探測、抗震救災、航天航海及醫(yī)療服務等領域廣闊的應用前景及重大的科研價值吸引了越來越多的研究者的關注，同時，兩棲復雜介質環(huán)境下的推進機構研究及控制算法設計也給研究者們帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
　　本文在借鑒結合陸地弧形腿推進與水下波動推進優(yōu)點的基礎上，設計了一種單自由度變

2、剛度腿的兩棲機器人。在陸地上，其以類似弧形足的方式推進;在水中，其以仿魚類的波動方式推進;在過渡地帶，則依靠弧形足與波動式相結合的運動方式推進。本論文的主要研究內容及成果如下:
　　(1)兩棲機器人的系統(tǒng)設計。總結前人的研究經驗，設計了一種集成了陸地弧形足與水下蹼狀腿優(yōu)點的變剛度腿型結構，并針對該獨特的結構設計了單自由度的驅動模塊及防水外殼系統(tǒng)，規(guī)劃了硬件系統(tǒng)的設計框圖及軟件系統(tǒng)的模塊化設計思路。
　　(2)構建CPG神經網

3、絡控制系統(tǒng)。針對機器人的運動特點，選擇合適的神經元模型并通過特定的拓撲結構耦合形成CPG神經網絡控制系統(tǒng)，調試相關參數(shù)以產生穩(wěn)定的自激振蕩信號。
　　(3)基于CPG神經網絡控制系統(tǒng)的運動步態(tài)規(guī)劃。針對機器人的結構特點及兩棲環(huán)境的需求，設計機器人的陸地、水下及水陸過渡地形的運動步態(tài)，并建立CPG控制信號與各種步態(tài)的對應關系，制定合適的CPG控制步態(tài)策略。
　　(4)實驗測試兩棲機器人的運動性能。以AmphiHex-Ⅱ為實驗測

4、試的對象，開展了其在陸地地形（包括硬地面、沙地、草地、斜坡及臺階等地形）、水中以及水陸過渡地形中的運動性能實驗研究。在硬地面行進時，采用三足快速模式，平均速度為0.36m/s（約0.7倍體長）;采用六足快速模式，平均速度為0.26m/s（約0.5倍體長）。在水中推進，機器人擺幅為30°，頻率為2Hz時，其推進速度為0.11m/s（約0.22倍體長）;可以翻越180mm高的臺階，論證了爬坡步態(tài)上大斜坡(25°斜坡)時穩(wěn)定性遠高于三足步態(tài);