水下自重構(gòu)機器人游走仿生混合運動研究.pdf

1、水下自重構(gòu)機器人融合了水下勘探與作業(yè)系統(tǒng)以及陸地自重構(gòu)機器人的相關(guān)技術(shù)，是針對復(fù)雜環(huán)境下結(jié)構(gòu)物檢測問題提出的一種全新的水下機器人概念。它在常規(guī)水下機器人集中式功能化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將其運動、作業(yè)和感知子系統(tǒng)的全部或部分分散至大量相似或相同的智能單元。這些單元互聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)共同實現(xiàn)總體功能，并可按不同的任務(wù)要求，根據(jù)系統(tǒng)對自身狀態(tài)和環(huán)境感知的結(jié)果，水下動態(tài)重構(gòu)出不同的構(gòu)形，實現(xiàn)不同的運動方式。游走運動作為水下自重構(gòu)機器人的主要運動方式，同樣起著

2、不可忽視的作用，因為運動性能的優(yōu)劣直接決定了水下自重構(gòu)機器人的應(yīng)用范圍和完成任務(wù)的能力。
　　本文以實現(xiàn)水下自重構(gòu)機器人的游走運動為出發(fā)點，對水下自重構(gòu)機器人的動力學(xué)建模、基于CPG（Central Pattern Generator）的控制網(wǎng)絡(luò)、游走運動的穩(wěn)定性、自重構(gòu)策略等關(guān)鍵問題進行了研究，提出了新的解決方法并通過大量的仿真和實驗進行了驗證。論文的主要工作以及貢獻如下：
　　（1）針對水下自重構(gòu)機器人構(gòu)形復(fù)雜多變的特點

3、，提出了基于通路矩陣和Kane方程的統(tǒng)一建模方法。介紹了基于通路矩陣的統(tǒng)一構(gòu)形描述方法。給出了Kane方法建立運動學(xué)和動力學(xué)方程的步驟。推導(dǎo)出基于統(tǒng)一構(gòu)形描述和Kane方程的水下自重構(gòu)機器人運動學(xué)和動力學(xué)方程。水下自重構(gòu)機器人運動學(xué)和動力學(xué)方程的建立為CPG控制網(wǎng)絡(luò)、游走運動的穩(wěn)定性等問題的研究提供了平臺。
　?。?）考慮到水下自重構(gòu)機器人游走運動的節(jié)律性特點，提出采用CPG網(wǎng)絡(luò)控制不同構(gòu)形的游走運動。詳細(xì)介紹了幅值可控的相位振蕩

4、器模型，并根據(jù)該模型創(chuàng)建了適用于水下自重構(gòu)機器人的雙鏈CPG。詳細(xì)介紹了由通路矩陣演化出CPG網(wǎng)絡(luò)的方法，并給出了水下自重構(gòu)機器人典型構(gòu)形對應(yīng)的CPG網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)以及輸出波形。
　?。?）針對水下自重構(gòu)機器人特殊的工作環(huán)境，分別對游和走兩種運動行為的穩(wěn)定性進行了分析。游動可通過重力和浮力形成的力偶矩（恢復(fù)力矩）抵御外界環(huán)境的干擾，實現(xiàn)自身的穩(wěn)定。針對游動過程中構(gòu)形不斷變化且很難確定其重、浮心位置的問題，提出分別計算各個組成模塊的恢復(fù)

5、力矩，然后以參考模塊為基準(zhǔn)進行疊加處理的方法。水下行走的穩(wěn)定性可以分別從力的平衡和力矩的平衡進行分析。提出了針對水流沖擊下的整體平移以及足底打滑現(xiàn)象的第一類穩(wěn)定性判據(jù)，以及針對水下行走過程中的整體翻轉(zhuǎn)問題的第二類穩(wěn)定性判據(jù)。給出了水動力作用下的ZMP（ Zero Moment Point）計算方法，以及ZMP是否位于凸多邊形內(nèi)部的判斷方法。
　?。?）建立了一套水下自重構(gòu)機器人自重構(gòu)策略的專家?guī)煜到y(tǒng)，給出了構(gòu)形分類方法、構(gòu)形描述方

6、法以及影響最優(yōu)構(gòu)形選擇的因素。采用雙重選擇機制：首先根據(jù)任務(wù)種類和水下作業(yè)位置篩選出適合的構(gòu)形；然后以綜合最優(yōu)為選擇標(biāo)準(zhǔn)，通過模糊推理和面積中心法，從篩選出的構(gòu)形中選出最優(yōu)構(gòu)形。詳細(xì)介紹了從當(dāng)前構(gòu)形向最優(yōu)構(gòu)形轉(zhuǎn)換的方法。
　?。?）為驗證理論的有效性，分別構(gòu)建了水下蛇形構(gòu)形、水下四足行走構(gòu)形的仿真驗證平臺，實現(xiàn)了水下蛇形構(gòu)形的自適應(yīng)游動和頭部震蕩控制，并分析了彈簧阻尼系數(shù)以及CPG參數(shù)對水下四足行走構(gòu)形行走速度的影響。通過水池實驗