松軟介質中弧形足運動特性分析及足—蹼復合推進兩棲機器人研究.pdf

1、水陸兩棲機器人憑借其既能在陸地推進，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方式的移動機器人所無法完成的兩棲任務，例如地質災害排險救援、農田病蟲害狀態(tài)監(jiān)測、水陸兩棲戰(zhàn)場偵察通信等復雜環(huán)境下的作業(yè)，因此被全世界越來越多的研究人員所關注。目前對于水陸兩棲機器人的研究工作大多集中在復合推進機構設計、簡單水陸單一環(huán)境下的推進性能實驗研究等方面，而對于影響水陸兩棲機器人走向實用化的機器人推進機構在水陸過渡環(huán)境松軟介質(如不同含水量的沙

2、質或泥質介質)中的運動特性研究卻很少涉及。此外，能夠適應水、陸、過渡環(huán)境松軟介質的合理而有效的兩棲復合推進技術也亟待創(chuàng)新，只有了解了推進機構與水陸過渡環(huán)境松軟介質之間的相互作用規(guī)律，建立行之有效的兩棲推進方案，才能為將來能夠真正服務于人類生產生活的水陸兩棲機器人系統(tǒng)提供理論基礎和設計準則。因此本研究具有重要的價值和意義。
　　 本論文以兼顧輪式和足式特點的弧形足推進機構與水陸過渡環(huán)境松軟介質的相互作用機理出發(fā)，開展了弧形足在松軟

3、介質中推進過程力學行為分析計算、顆粒流仿真分析、松軟介質土槽中多變量正交實驗研究，基于可變形足-蹼復合兩棲推進技術的水陸兩棲機器人系統(tǒng)設計，水陸兩棲機器人樣機陸地、水中、水陸過渡環(huán)境推進性能實驗測試等研究工作。論文的主要研究內容和成果如下:
　　 (1)對三種常見水陸過渡環(huán)境介質(干沙、濕沙、淤泥)進行了三軸抗剪強度測試，初步掌握了其土壤力學特性。通過微元法對弧形足在松軟介質中運動的受力情況進行了分析，并利用拖桿實驗獲得力學模型

4、參數，進而計算出固定旋轉軸的不同構型參數下弧形足在一個運動周期內與沙質介質相互作用時推進力、支撐力及驅動力矩的變化規(guī)律。利用顆粒流仿真軟件(PFC)對同樣條件下的弧形足運動行為進行了仿真研究分析，對比所得到的推進力、支撐力及驅動力矩，不同足型的變化趨勢基本一致，驗證了理論分析方法的可行性及準確度，為弧形足式兩棲機器人的機構設計及控制方式提供了設計參考。
　　 (2)自行搭建了水陸過渡環(huán)境松軟介質實驗土槽平臺，對不同構型的弧形足在

5、不同含水量的沙質介質、泥質介質環(huán)境，不同運動控制參數條件下的推進性能進行實驗研究。由于變量多、實驗難度較大，采用了正交實驗和極差分析的方法，分別以推進過程中所消耗的能量、行進速度及重心起伏量為優(yōu)化目標，分析了不同變量對推進性能影響的規(guī)律。結合之前理論分析及仿真研究的結果，更加深入地了解了弧形足與水陸過渡松軟介質之間相互作用的關系，并得到了不同優(yōu)化目標條件下的最佳參數組合。
　　 (3)基于弧形足在水陸過渡環(huán)境下推進時的支撐力和推

6、進力相對平衡這一優(yōu)點，我們設計了一種基于可變形足-蹼復合兩棲推進的水陸兩棲機器人(AmphiHex)。它在陸地和過渡環(huán)境下利用弧形足行進，在水下通過推進機構變形使其能夠依靠蹼的拍動實現多種機動動作。搭建了水陸兩棲機器人的電路控制硬件系統(tǒng)。設計了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)產生適合陸地和水下推進的步態(tài)信號，并初步實現了三角步態(tài)和同步步態(tài)之間的平順轉換，為CPG仿生控制方式在水陸兩棲

7、機器人兩棲行為控制提供了新的思路。
　　 (4)對六足-蹼水陸兩棲機器人AmphiHex進行了大量實驗，測試其環(huán)境適應性及兩棲推進性能。陸地平坦地面上，機器人最大行走速度可達到約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;可爬越單級臺階高度低于160mm的連續(xù)臺階。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);依靠六個蹼的不同動作