本文關(guān)鍵詞：仿生青蛙機(jī)器人及其游動(dòng)軌跡規(guī)劃的研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來(lái),隨著我國(guó)海洋資源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略和軍事戰(zhàn)略的發(fā)展,急需可適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境和任務(wù)需求的水陸兩棲機(jī)器人,以執(zhí)行人類(lèi)無(wú)法完成的近海域多種作戰(zhàn)和探測(cè)任務(wù)。因此研制既能適應(yīng)陸地和近海灘涂的多變地形,又能適應(yīng)復(fù)雜水下環(huán)境的兩棲機(jī)器人具有重要的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。青蛙具有優(yōu)異的水陸兩棲運(yùn)動(dòng)能力,雖然其水下游動(dòng)性能與效率稍遜于采用胸鰭擺動(dòng)和尾鰭波動(dòng)等推進(jìn)方式的魚(yú)類(lèi),但是其能夠?qū)⑺掠蝿?dòng)與地面跳躍功能相結(jié)合,以腿式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靈巧的兩棲運(yùn)動(dòng)是青蛙的最大亮點(diǎn)。目前對(duì)仿生青蛙機(jī)器人的跳躍功能研究相對(duì)較多,而青蛙游動(dòng)機(jī)理在機(jī)器人中的應(yīng)用研究卻較少,因此本文針對(duì)仿生青蛙機(jī)器人及其游動(dòng)軌跡規(guī)劃進(jìn)行研究,為仿生青蛙兩棲機(jī)器人的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。觀測(cè)生物青蛙的游動(dòng)過(guò)程并提取運(yùn)動(dòng)軌跡是研究仿生青蛙機(jī)器人的基礎(chǔ)。根據(jù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),需要對(duì)陸生青蛙和水生青蛙的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行分析,研究青蛙游動(dòng)機(jī)理中的流體受力問(wèn)題。本文在流體仿真軟件FLUENT中,基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法,進(jìn)行青蛙自主游動(dòng)仿真,求解青蛙游動(dòng)的流體力學(xué)問(wèn)題。根據(jù)仿真結(jié)果,從腳蹼推進(jìn)力的升力和阻力分量分析青蛙游動(dòng)機(jī)理,并結(jié)合腳蹼運(yùn)動(dòng)模式與青蛙附近流場(chǎng)信息,研究青蛙的推進(jìn)效率,為后續(xù)仿生青蛙機(jī)器人設(shè)計(jì)與軌跡規(guī)劃研究奠定基礎(chǔ)。雖然基于CFD的仿真方法能夠求解腳蹼水動(dòng)力,但該方法存在計(jì)算穩(wěn)定性差,效率低,耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題,不能應(yīng)用在優(yōu)化設(shè)計(jì)以及其他需要在線(xiàn)計(jì)算的場(chǎng)合中。因此利用理論流體力學(xué)方法,將水動(dòng)力分解為準(zhǔn)靜態(tài)阻力和附加質(zhì)量力,快速求解腳蹼推進(jìn)力,并建立青蛙動(dòng)力學(xué)模型,從而優(yōu)化仿生青蛙機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模型。采用氣動(dòng)肌肉作為仿生青蛙游動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器,高速開(kāi)關(guān)閥作為氣動(dòng)系統(tǒng)的控制元件,設(shè)計(jì)出機(jī)電氣一體的仿生青蛙機(jī)器人樣機(jī)。根據(jù)生物青蛙推進(jìn)階段運(yùn)動(dòng)模式特點(diǎn)及其游動(dòng)機(jī)理,研究基于腳蹼運(yùn)動(dòng)空間的軌跡規(guī)劃方法,從而生成一種既能體現(xiàn)青蛙運(yùn)動(dòng)模式特點(diǎn),又適應(yīng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器要求的運(yùn)動(dòng)軌跡,指導(dǎo)機(jī)器人的游動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)對(duì)青蛙游動(dòng)機(jī)理的分析,在推進(jìn)階段從腳蹼加速度規(guī)律層面進(jìn)行軌跡優(yōu)化,在恢復(fù)階段根據(jù)腳蹼最小阻力條件進(jìn)行軌跡規(guī)劃,從而得到機(jī)器人整個(gè)游動(dòng)周期的運(yùn)動(dòng)軌跡。為了對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)以及軌跡規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,還需要研究仿生青蛙機(jī)器人的控制問(wèn)題。以高速開(kāi)關(guān)閥的PWM占空比作為肌肉激勵(lì)信號(hào),通過(guò)建立的肌肉動(dòng)態(tài)模型,關(guān)節(jié)模型以及氣路流量模型,確定開(kāi)關(guān)閥占空比到關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度之間的非線(xiàn)性關(guān)系,從而得到機(jī)器人肌骨骼系統(tǒng)的模型。根據(jù)仿青蛙運(yùn)動(dòng)中各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)規(guī)律,分別采用基于肌骨骼系統(tǒng)模型的控制方法與模糊PID方法對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制,完成機(jī)器人的游動(dòng)實(shí)驗(yàn)。搭建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在機(jī)器人軀干中集成微控制器,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊與上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)和控制命令。通過(guò)機(jī)器人水下游動(dòng)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性,軌跡規(guī)劃的正確性以及控制系統(tǒng)的可行性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1351430