多模态两栖机器人仿生推进机构与运动控制

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摘要:

   两栖机器人是一种能在复杂水陆环境中工作的机器人系统,在民用和军事领域具有广阔的应用前景。在现有机器人技术研究基础上,从形态、结构、功能、控制等方面对生物原型进行模仿和学习,研制新型两栖机器人,不仅可以替代人完成水陆环境下的科学考察、环境监测等多种作业任务,而且可为近海两栖作战新概念武器设计提供新思路、新方法。

  本课题基于两栖动物的陆地和水下运动机理,提出了一种基于仿鱼推进技术并辅以轮、桨、鳍机构的新型两栖机器人推进方案:陆地推进采用仿轮式推进,水下推进模仿鲹科鱼类的波状摆动和仿海豚高效的背腹式运动,并利用特殊设计的转体机构将仿鱼和仿海豚运动结合起来。设计了工作可靠、性能良好的防水密封件,解决水下环境的动密封问题,在此基础上成功研制了四代适合于地面和水下快速推进的两栖机器人样机。

  对陆地推进,借助头部驱动轮和尾部被动轮协调推进的特点,提出了一种可变构型转弯方式,能实现具有最小半径的转弯运动;对水下仿鱼推进,提出了一种基于中枢模式发生器的生物控制方法,结合能实现360°转动(非连续)的机械胸鳍,可实现直游、转弯、倒游、原地转、制动、俯仰、仿鱼/仿海豚切换等运动模态,满足室内瓷砖地面、游泳池、公园、砂石地面、水草地、坡地等地形环境;红外感知和液位传感信息的集成实现了机器人的自主  避障、水陆自主切换运动控制,并通过实验进行了验证;同时,基于两栖机器人控制平台,利用水动力学原理和多体动力学理论,根据设计指标和系统实现过程中的物理约束,分析模型的运动学和动力学性能,并通过水动力学实验对所得模型进行验证、改进。

  综上所述,本课题在非结构化两栖环境建模、仿生推进机构设计与控制、多种推进模式的切换等方面取得了一定突破,为面向应用的水陆两栖机器人作业系统提供了理论基础和技术储备。

关键词:机器人;仿生机构;运动控制