水陆两栖蛙板机器人的设计、建模与控制

发布时间：2017-06-09 07:14

  本文关键词：水陆两栖蛙板机器人的设计、建模与控制，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：仿生机器人是当今机器人领域研究的热点,人们往往可以通过研究生物体的运动形式和感知能力来获得设计机器人的灵感。两栖动物凭借其独特的结构形式和感知能力,可以在陆地环境和水下环境中行动自如,因此如何设计一种仿生两栖机器人成为研究的热点。本文主要介绍一种新型的水陆两栖机器人,这种机器人通过模仿青蛙的水下游泳动作,在陆地上和水下运动时均采用双摆臂的蛙式运动形式,在陆地上靠万向轮与地面的摩擦力提供推力,在水下则通过摆动的尾鳍产生推力。由于这种两栖机器人在水陆环境下均采用蛙式运动形式,因此称这种机器人为两栖蛙板机器人。本文对两栖蛙板机器人的设计、建模和控制进行了详细的介绍,对这种新型双摆臂的运动形式进行了详尽的分析,并进行了相关的仿真和实验。本文的研究内容及成果主要包括:(1)对蛙板机器人的结构进行了详细的介绍,主要包括万向轮、尾鳍、胸鳍、前舵的设计以及双摆臂运动结构。(2)基于ADAMS(机械系统动力学自动分析)虚拟样机技术对两栖蛙板机器人的陆地运动进行了仿真分析,了解了机器人的运动学特性,然后针对系统的强非线性,利用模糊PID算法,实现了机器人的速度可控。(3)对机器人水下运动进行了建模,同时利用ANSYS FLUENT有限元分析软件,对蛙板机器人的水下运动进行了计算流体力学仿真,对机器人进行了推力仿真、阻力仿真以及姿态控制仿真。(4)针对机器人的仿真和实验结果,对机器人的结构进行了优化设计,提出了一些建设性的改进方案。本文对两栖蛙板机器人的设计、建模和控制进行了详细介绍,分析了这种新型的双摆臂的运动形式,并对机器人进行了优化设计。
【关键词】：水陆两栖 双摆臂 蛙式 ADAMS FLUENT 计算流体力学
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 研究的背景及意义11-12
• 1.2 水陆两栖机器人的发展状况12-18
• 1.2.1 地面移动机器人的研究现状12-14
• 1.2.2 水下机器人的研究现状14-17
• 1.2.3 水陆两栖机器人的研究现状17-18
• 1.3 本文研究内容及组织结构18-20
• 第2章 两栖蛙板机器人系统的设计20-31
• 2.1 两栖蛙板机器人的设计来源20-21
• 2.2 机器人的发展21-23
• 2.2.1 第一代蛙板机器人21-22
• 2.2.2 第二、三代蛙板机器人22-23
• 2.3 机器人控制系统介绍23-25
• 2.4 两栖机器人结构设计25-27
• 2.4.1 头部机构25
• 2.4.2 前舵与胸鳍结构25-26
• 2.4.3 尾鳍与万向轮结构26-27
• 2.5 陆地运动机理27-28
• 2.6 水下运动机理28-30
• 2.6.1 双尾鳍摆动28-29
• 2.6.2 水下姿态控制29-30
• 2.7 本章总结30-31
• 第3章 陆地运动建模仿真与实验31-43
• 3.1 ADAMS虚拟样机仿真31-35
• 3.1.1 ADAMS虚拟样机技术介绍31-32
• 3.1.2 蛙板机器人模型的建立32-33
• 3.1.3 ADAMS仿真与分析33-35
• 3.2 陆地运动控制与实验35-42
• 3.2.1 机器人陆地运动影响因素35-36
• 3.2.2 机器人摆速对速度的影响36-38
• 3.2.3 机器人速度平滑控制38-42
• 3.3 本章总结42-43
• 第4章 水动力学仿真与分析43-65
• 4.1 水下机器人研究方法概述43-44
• 4.2 水下动力学模型44-46
• 4.3 水下推力建模与分析46-54
• 4.3.1 水下推力建模46-51
• 4.3.2 水下推力仿真分析51-54
• 4.4 水下计算流体力学仿真54-63
• 4.4.1 CFD与ANSYS介绍54-55
• 4.4.2 数值计算方法55-57
• 4.4.3 不同摆速下的推力仿真57-59
• 4.4.4 尾鳍角度变化时的推力分析59-60
• 4.4.5 头部设计优化60-61
• 4.4.6 水下姿态控制仿真61-63
• 4.5 机器人水下实验63-64
• 4.5.1 水下直行实验63
• 4.5.2 水下俯仰实验63-64
• 4.5.3 水下偏航实验64
• 4.6 本章总结64-65
• 第5章 两栖蛙板机器人的优化设计65-71
• 5.1 双摆臂运动改进机构65-69
• 5.2 前轮主动驱动设计69-70
• 5.3 反偏向轮与尾鳍的控制70
• 5.4 本章总结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-77
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单77-78
• 致谢78

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