仿海蟹機(jī)器人游泳槳水動力性能及浮游步態(tài)規(guī)劃方法研究.pdf

1、經(jīng)過長期自然選擇和進(jìn)化，生物海蟹具備了陸上行走、海底爬行和水中浮游三種運(yùn)動特性，廣泛生存于巖石、淺灘、強(qiáng)海流等區(qū)域。在低速運(yùn)動狀態(tài)下海蟹具有運(yùn)動靈活、隱蔽性強(qiáng)、能量利用率高等特點(diǎn)，將其運(yùn)動機(jī)理應(yīng)用于兩棲仿生機(jī)器人的水下推進(jìn)中，對于探索新型水下驅(qū)動方式，提高載體的運(yùn)動性能具有重要的研究意義和實(shí)用價值。
　　槳形游泳足的多驅(qū)動特性，使海蟹可以在水下完成多種復(fù)雜運(yùn)動。然而，目前從海蟹運(yùn)動機(jī)理角度探討游泳足運(yùn)動過程和生理特性的研究較少，其

2、運(yùn)動機(jī)理尚不清晰，并且游泳槳推進(jìn)技術(shù)在水下機(jī)器人上的應(yīng)用仍處于探索階段，因此有必要對游泳槳的水下推進(jìn)機(jī)理進(jìn)行深入研究。本文采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，圍繞仿海蟹機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、游泳槳推進(jìn)機(jī)理分析、水下浮游步態(tài)規(guī)劃、水下浮游控制方法以及機(jī)器人巡游性能測試等方面展開研究。
　　通過對生物海蟹形態(tài)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特征的分析，提出一種足槳混合驅(qū)動仿海蟹機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案，其包含：串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)步行足、游泳槳、浮力調(diào)節(jié)裝置、減阻外殼

3、、控制艙體以及軀體結(jié)構(gòu)等。機(jī)器人利用步行足和游泳槳雙重推進(jìn)裝置,可實(shí)現(xiàn)陸上行走、海底爬行和水中浮游三種運(yùn)動功能。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)步行足各關(guān)節(jié)角度的約束，利用搜索法求解步行足的可達(dá)工作空間，并從運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)兩方面對仿海蟹機(jī)器人的運(yùn)動性能進(jìn)行仿真分析。
　　研究仿海蟹機(jī)器人游泳槳的水動力性能?；诓⑿杏?jì)算的CFD方法對游泳槳的三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析基于升力和阻力模式下游泳槳特征點(diǎn)的運(yùn)動軌跡、速度攻角與水動力特性間的關(guān)系。從軌跡特

4、征、推力產(chǎn)生、渦的演變、尾渦結(jié)構(gòu)和壓力場分布等角度闡述不同運(yùn)動模式水動力的產(chǎn)生機(jī)理，并探討水翼結(jié)構(gòu)參數(shù)、時間非對稱擺動、推進(jìn)模式以及游泳槳運(yùn)動參數(shù)對其水下推進(jìn)性能的影響，從而獲得優(yōu)化的二、三自由度剛性游泳槳升力和阻力運(yùn)動模式下的運(yùn)動參數(shù)。
　　針對仿海蟹機(jī)器人水中浮游運(yùn)動，提出一種基于中樞模式發(fā)生器（CPG）的運(yùn)動控制方法。采用改進(jìn)非線性振蕩器作為節(jié)律信號發(fā)生器，通過相鄰弱耦合方法構(gòu)建仿海蟹機(jī)器人的CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并證明單個神

5、經(jīng)振蕩器模型極限環(huán)存在的唯一性和穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，通過對雙游泳槳協(xié)同推進(jìn)的水動力學(xué)性能進(jìn)行分析，提出并規(guī)劃仿海蟹機(jī)器人前游、倒游、轉(zhuǎn)艏、浮潛等多種水下浮游步態(tài)，建立各步態(tài)CPG網(wǎng)絡(luò)參數(shù)庫，從而實(shí)現(xiàn)仿海蟹機(jī)器人的三維游動控制。
　　研究仿海蟹機(jī)器人浮游運(yùn)動的目標(biāo)點(diǎn)跟蹤問題。采用牛頓-歐拉法建立仿海蟹機(jī)器人水中浮游步態(tài)完整的非線性動力學(xué)模型，根據(jù)所建立的該數(shù)學(xué)模型對機(jī)器人水中浮游的運(yùn)動性能進(jìn)行仿真分析，探索仿海蟹機(jī)器人水下操縱機(jī)理。

6、在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于指數(shù)趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制器，將游泳槳上下拍翼運(yùn)動和搖翼運(yùn)動的相位差作為被控量，對機(jī)器人的轉(zhuǎn)艏角速率進(jìn)行控制；通過李亞普諾夫直接法證明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全局漸近穩(wěn)定，并進(jìn)行仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：滑?？刂瓶梢允箼C(jī)器人具有良好的目標(biāo)點(diǎn)跟蹤能力，并對系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)不確定性及外界擾動具有較強(qiáng)魯棒性。
　　為驗(yàn)證游泳槳推進(jìn)數(shù)值模擬的正確性，開展游泳槳推進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究。依據(jù)游泳槳拍動過程中水動力交變和非定常特點(diǎn)，搭建三自

7、由度游泳槳的水動力測試系統(tǒng)，完成仿海蟹機(jī)器人游泳槳循環(huán)水槽推進(jìn)實(shí)驗(yàn)，針對特定運(yùn)動狀態(tài)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和 CFD數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，闡述仿真與實(shí)驗(yàn)之間誤差產(chǎn)生的原因；并進(jìn)一步探討水翼的截面形狀、翼面剛度、各自由度耦合運(yùn)動參數(shù)對游泳槳推進(jìn)力和推進(jìn)效率的影響。
　　開展仿海蟹機(jī)器人水池實(shí)驗(yàn)研究。研制仿海蟹機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，搭建水池實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在敞水中完成仿海蟹機(jī)器人浮游性能測試和運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)，測定樣機(jī)在實(shí)際環(huán)境下的直航、轉(zhuǎn)艏和浮潛性能，并驗(yàn)