仿生青蛙机器人及其游动轨迹规划的研究

发布时间：2017-12-29 18:42

本文关键词：仿生青蛙机器人及其游动轨迹规划的研究　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,随着我国海洋资源开发战略和军事战略的发展,急需可适应复杂作业环境和任务需求的水陆两栖机器人,以执行人类无法完成的近海域多种作战和探测任务。因此研制既能适应陆地和近海滩涂的多变地形,又能适应复杂水下环境的两栖机器人具有重要的实用价值和现实意义。青蛙具有优异的水陆两栖运动能力,虽然其水下游动性能与效率稍逊于采用胸鳍摆动和尾鳍波动等推进方式的鱼类,但是其能够将水下游动与地面跳跃功能相结合,以腿式结构实现灵巧的两栖运动是青蛙的最大亮点。目前对仿生青蛙机器人的跳跃功能研究相对较多,而青蛙游动机理在机器人中的应用研究却较少,因此本文针对仿生青蛙机器人及其游动轨迹规划进行研究,为仿生青蛙两栖机器人的发展奠定基础。观测生物青蛙的游动过程并提取运动轨迹是研究仿生青蛙机器人的基础。根据观测实验采集的运动数据,需要对陆生青蛙和水生青蛙的运动模式进行分析,研究青蛙游动机理中的流体受力问题。本文在流体仿真软件FLUENT中,基于计算流体力学(CFD)方法,进行青蛙自主游动仿真,求解青蛙游动的流体力学问题。根据仿真结果,从脚蹼推进力的升力和阻力分量分析青蛙游动机理,并结合脚蹼运动模式与青蛙附近流场信息,研究青蛙的推进效率,为后续仿生青蛙机器人设计与轨迹规划研究奠定基础。虽然基于CFD的仿真方法能够求解脚蹼水动力,但该方法存在计算稳定性差,效率低,耗时长等问题,不能应用在优化设计以及其他需要在线计算的场合中。因此利用理论流体力学方法,将水动力分解为准静态阻力和附加质量力,快速求解脚蹼推进力,并建立青蛙动力学模型,从而优化仿生青蛙机器人的机构模型。采用气动肌肉作为仿生青蛙游动机器人的驱动器,高速开关阀作为气动系统的控制元件,设计出机电气一体的仿生青蛙机器人样机。根据生物青蛙推进阶段运动模式特点及其游动机理,研究基于脚蹼运动空间的轨迹规划方法,从而生成一种既能体现青蛙运动模式特点,又适应机器人驱动器要求的运动轨迹,指导机器人的游动实验研究。根据对青蛙游动机理的分析,在推进阶段从脚蹼加速度规律层面进行轨迹优化,在恢复阶段根据脚蹼最小阻力条件进行轨迹规划,从而得到机器人整个游动周期的运动轨迹。为了对机器人设计以及轨迹规划结果进行实验验证,还需要研究仿生青蛙机器人的控制问题。以高速开关阀的PWM占空比作为肌肉激励信号,通过建立的肌肉动态模型,关节模型以及气路流量模型,确定开关阀占空比到关节运动角度之间的非线性关系,从而得到机器人肌骨骼系统的模型。根据仿青蛙运动中各关节驱动规律,分别采用基于肌骨骼系统模型的控制方法与模糊PID方法对各关节进行控制,完成机器人的游动实验。搭建机器人实验平台,在机器人躯干中集成微控制器,通过无线通讯与上位机传输数据和控制命令。通过机器人水下游动实验来验证机器人设计的合理性,轨迹规划的正确性以及控制系统的可行性。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

【参考文献】