松軟介質(zhì)中弧形足運(yùn)動(dòng)特性分析及足—蹼復(fù)合推進(jìn)兩棲機(jī)器人研究.pdf

1、水陸兩棲機(jī)器人憑借其既能在陸地推進(jìn)，又能在水中巡游的特性，能夠完成許多陸地或水中單一推進(jìn)方式的移動(dòng)機(jī)器人所無法完成的兩棲任務(wù)，例如地質(zhì)災(zāi)害排險(xiǎn)救援、農(nóng)田病蟲害狀態(tài)監(jiān)測、水陸兩棲戰(zhàn)場偵察通信等復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)，因此被全世界越來越多的研究人員所關(guān)注。目前對于水陸兩棲機(jī)器人的研究工作大多集中在復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、簡單水陸單一環(huán)境下的推進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)研究等方面，而對于影響水陸兩棲機(jī)器人走向?qū)嵱没臋C(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)在水陸過渡環(huán)境松軟介質(zhì)(如不同含水量的沙

2、質(zhì)或泥質(zhì)介質(zhì))中的運(yùn)動(dòng)特性研究卻很少涉及。此外，能夠適應(yīng)水、陸、過渡環(huán)境松軟介質(zhì)的合理而有效的兩棲復(fù)合推進(jìn)技術(shù)也亟待創(chuàng)新，只有了解了推進(jìn)機(jī)構(gòu)與水陸過渡環(huán)境松軟介質(zhì)之間的相互作用規(guī)律，建立行之有效的兩棲推進(jìn)方案，才能為將來能夠真正服務(wù)于人類生產(chǎn)生活的水陸兩棲機(jī)器人系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。因此本研究具有重要的價(jià)值和意義。
　　 本論文以兼顧輪式和足式特點(diǎn)的弧形足推進(jìn)機(jī)構(gòu)與水陸過渡環(huán)境松軟介質(zhì)的相互作用機(jī)理出發(fā)，開展了弧形足在松軟

3、介質(zhì)中推進(jìn)過程力學(xué)行為分析計(jì)算、顆粒流仿真分析、松軟介質(zhì)土槽中多變量正交實(shí)驗(yàn)研究，基于可變形足-蹼復(fù)合兩棲推進(jìn)技術(shù)的水陸兩棲機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，水陸兩棲機(jī)器人樣機(jī)陸地、水中、水陸過渡環(huán)境推進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)測試等研究工作。論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　 (1)對三種常見水陸過渡環(huán)境介質(zhì)(干沙、濕沙、淤泥)進(jìn)行了三軸抗剪強(qiáng)度測試，初步掌握了其土壤力學(xué)特性。通過微元法對弧形足在松軟介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的受力情況進(jìn)行了分析，并利用拖桿實(shí)驗(yàn)獲得力學(xué)模型

4、參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出固定旋轉(zhuǎn)軸的不同構(gòu)型參數(shù)下弧形足在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)與沙質(zhì)介質(zhì)相互作用時(shí)推進(jìn)力、支撐力及驅(qū)動(dòng)力矩的變化規(guī)律。利用顆粒流仿真軟件(PFC)對同樣條件下的弧形足運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了仿真研究分析，對比所得到的推進(jìn)力、支撐力及驅(qū)動(dòng)力矩，不同足型的變化趨勢基本一致，驗(yàn)證了理論分析方法的可行性及準(zhǔn)確度，為弧形足式兩棲機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方式提供了設(shè)計(jì)參考。
　　 (2)自行搭建了水陸過渡環(huán)境松軟介質(zhì)實(shí)驗(yàn)土槽平臺(tái)，對不同構(gòu)型的弧形足在

5、不同含水量的沙質(zhì)介質(zhì)、泥質(zhì)介質(zhì)環(huán)境，不同運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)條件下的推進(jìn)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。由于變量多、實(shí)驗(yàn)難度較大，采用了正交實(shí)驗(yàn)和極差分析的方法，分別以推進(jìn)過程中所消耗的能量、行進(jìn)速度及重心起伏量為優(yōu)化目標(biāo)，分析了不同變量對推進(jìn)性能影響的規(guī)律。結(jié)合之前理論分析及仿真研究的結(jié)果，更加深入地了解了弧形足與水陸過渡松軟介質(zhì)之間相互作用的關(guān)系，并得到了不同優(yōu)化目標(biāo)條件下的最佳參數(shù)組合。
　　 (3)基于弧形足在水陸過渡環(huán)境下推進(jìn)時(shí)的支撐力和推

6、進(jìn)力相對平衡這一優(yōu)點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)了一種基于可變形足-蹼復(fù)合兩棲推進(jìn)的水陸兩棲機(jī)器人(AmphiHex)。它在陸地和過渡環(huán)境下利用弧形足行進(jìn)，在水下通過推進(jìn)機(jī)構(gòu)變形使其能夠依靠蹼的拍動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種機(jī)動(dòng)動(dòng)作。搭建了水陸兩棲機(jī)器人的電路控制硬件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了AmphiHex在陸地和水下的常用步態(tài)。利用基于Hopf模型的中樞模式發(fā)生器(CPG)產(chǎn)生適合陸地和水下推進(jìn)的步態(tài)信號(hào)，并初步實(shí)現(xiàn)了三角步態(tài)和同步步態(tài)之間的平順轉(zhuǎn)換，為CPG仿生控制方式在水陸兩棲

7、機(jī)器人兩棲行為控制提供了新的思路。
　　 (4)對六足-蹼水陸兩棲機(jī)器人AmphiHex進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，測試其環(huán)境適應(yīng)性及兩棲推進(jìn)性能。陸地平坦地面上，機(jī)器人最大行走速度可達(dá)到約0.49m/s(0.58倍體長);爬坡最大角度約為35°;采用同步步態(tài)能夠翻越最大高度180mm的垂直障礙物;可爬越單級(jí)臺(tái)階高度低于160mm的連續(xù)臺(tái)階。在水下，由于目前殼體阻力較大，最大巡游速度約為0.25m/s(約0.3倍體長);依靠六個(gè)蹼的不同動(dòng)作