基于CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩棲機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(gè)行業(yè)內(nèi)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下保持高機(jī)動(dòng)性的移動(dòng)機(jī)器人的需求日益普及。而兩棲機(jī)器人以其在陸地、水中及水陸過渡地形等環(huán)境中較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在軍事探測(cè)、抗震救災(zāi)、航天航海及醫(yī)療服務(wù)等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景及重大的科研價(jià)值吸引了越來越多的研究者的關(guān)注，同時(shí)，兩棲復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境下的推進(jìn)機(jī)構(gòu)研究及控制算法設(shè)計(jì)也給研究者們帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
　　本文在借鑒結(jié)合陸地弧形腿推進(jìn)與水下波動(dòng)推進(jìn)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種單自由度變

2、剛度腿的兩棲機(jī)器人。在陸地上，其以類似弧形足的方式推進(jìn);在水中，其以仿魚類的波動(dòng)方式推進(jìn);在過渡地帶，則依靠弧形足與波動(dòng)式相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)方式推進(jìn)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容及成果如下:
　　(1)兩棲機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。總結(jié)前人的研究經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種集成了陸地弧形足與水下蹼狀腿優(yōu)點(diǎn)的變剛度腿型結(jié)構(gòu)，并針對(duì)該獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了單自由度的驅(qū)動(dòng)模塊及防水外殼系統(tǒng)，規(guī)劃了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖及軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)思路。
　　(2)構(gòu)建CPG神經(jīng)網(wǎng)

3、絡(luò)控制系統(tǒng)。針對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，選擇合適的神經(jīng)元模型并通過特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)耦合形成CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，調(diào)試相關(guān)參數(shù)以產(chǎn)生穩(wěn)定的自激振蕩信號(hào)。
　　(3)基于CPG神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)規(guī)劃。針對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及兩棲環(huán)境的需求，設(shè)計(jì)機(jī)器人的陸地、水下及水陸過渡地形的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，并建立CPG控制信號(hào)與各種步態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，制定合適的CPG控制步態(tài)策略。
　　(4)實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩棲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。以AmphiHex-Ⅱ?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)

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