【摘要】：近年來,海洋與陸地銜接的淺灘帶逐步受到海底資源勘測(cè)與開發(fā)、環(huán)境勘測(cè)、科學(xué)考究等海洋科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注,但傳統(tǒng)機(jī)器人在該區(qū)域復(fù)雜涉水環(huán)境中適應(yīng)性較差,從而進(jìn)一步推動(dòng)適應(yīng)淺灘作業(yè)的機(jī)器人技術(shù)發(fā)展。而具備兩棲作業(yè)能力的仿海蟹機(jī)器人以其自身優(yōu)越特點(diǎn)可以很好發(fā)揮作用。無論執(zhí)行具體任務(wù)或者進(jìn)行勘測(cè)偵查作業(yè)情形中,需要合適的控制方法保證機(jī)器人能夠準(zhǔn)確高效按照規(guī)劃路線運(yùn)動(dòng)。本文以生物海蟹作為原型,進(jìn)行生物觀測(cè)并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能仿生和分析,研制出一種具備兩棲運(yùn)動(dòng)能力的仿海蟹機(jī)器人,并選用自抗擾控制方法對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行路徑跟蹤控制。以仿生學(xué)為基礎(chǔ),對(duì)仿海蟹機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)建模。通過對(duì)海蟹的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行觀測(cè)和分析,設(shè)計(jì)了串并聯(lián)混合形式的五連桿機(jī)構(gòu)步行足與仿海蟹機(jī)器人總機(jī)。建立了步行足的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,對(duì)步行足進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算分析;同時(shí)建立仿海蟹機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型、差速驅(qū)動(dòng)模型、整機(jī)運(yùn)動(dòng)模型以及簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型。然后結(jié)合所設(shè)計(jì)多足機(jī)器人全局步態(tài),從而得到整機(jī)位姿、運(yùn)動(dòng)和各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)之間的關(guān)系,并應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案合理性和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的準(zhǔn)確性。對(duì)仿海蟹機(jī)器人在水陸兩棲環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,對(duì)仿海蟹機(jī)器人進(jìn)行水下環(huán)境動(dòng)力學(xué)、水環(huán)境機(jī)體運(yùn)動(dòng)與步行足力和力矩關(guān)系以及機(jī)器人承受海底摩擦約束分析。應(yīng)用智能化方法對(duì)仿海蟹機(jī)器人進(jìn)行全局路徑規(guī)劃并且應(yīng)用柵格法建立環(huán)境模型,且應(yīng)用改進(jìn)蟻群算法完成對(duì)仿海蟹機(jī)器人全局路徑進(jìn)行智能化規(guī)劃。綜合考慮非完整約束、機(jī)械約束以及機(jī)器人水下運(yùn)動(dòng)特性,提出滿足機(jī)器人在水陸兩棲環(huán)境中能夠快速行走要求下的生成臨時(shí)路徑的方法。根據(jù)仿海蟹機(jī)器人系統(tǒng)特點(diǎn)以及運(yùn)動(dòng)模型,對(duì)傳統(tǒng)的視線導(dǎo)航策略進(jìn)行改進(jìn),并調(diào)整參考航向角輸出,并建立機(jī)器人路徑跟蹤位姿誤差方程,應(yīng)用自抗擾控制方法設(shè)計(jì)仿海蟹機(jī)器人路徑跟蹤控制器;將小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加入二階自抗擾控制器以提升自抗擾控制器,增強(qiáng)整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)抗干擾能力。針對(duì)跟蹤誤差,對(duì)擾動(dòng)的抵抗程度,穩(wěn)定度等方面進(jìn)行仿真分析。對(duì)仿海蟹機(jī)器人進(jìn)行路徑跟蹤運(yùn)動(dòng)仿真,并針對(duì)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人實(shí)際情形中定位誤差的抵抗和修正能力加以仿真分析,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的整個(gè)仿海蟹機(jī)器人系統(tǒng)正確性、準(zhǔn)確性以及抗擾能力。對(duì)基于普通自抗擾控制和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾控制仿海蟹機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)比分析,結(jié)果表明:小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自抗擾控制擁有很好的動(dòng)態(tài)特性和更強(qiáng)的抑制干擾的能力,具有更好的控制效果。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242;Q811
【圖文】：

隨及它的身體觸水并開始蛇形游動(dòng)激勵(lì)，一旦激勵(lì)機(jī)器人肢翼的振蕩器，原來的神經(jīng)系統(tǒng)便轉(zhuǎn)向新的模式，這即是陸地移動(dòng)的典型駐波，應(yīng)用該方式使該機(jī)器人在水陸環(huán)境變化時(shí)能夠步態(tài)轉(zhuǎn)換[23,24]。(a)ArielALUV (b) BUR-001 (c) Whegs IV(d)AQUA (e) Naro-Tartarug (f) Salamander-Like

（a）LCR200 （b）CR200圖 1.2 韓國(guó)兩棲機(jī)器人 Crabster國(guó)，在應(yīng)用于淺灘 BUT 作業(yè)的兩棲多足機(jī)器人領(lǐng)域的研究也獲得了突破究成果。沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和中國(guó)科學(xué)院研究生院于 2008 年共同合作研腿一體化的兩棲多足機(jī)器人[32]，如圖 1.3(a)。該機(jī)器人重約為 44 公斤，機(jī)：0.9m*1m*0.2m，水環(huán)境中運(yùn)動(dòng)最大速度可達(dá) 0.7 節(jié)。該機(jī)器人由六個(gè)關(guān)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為單自由度擺動(dòng)翼關(guān)節(jié)，剩余四個(gè)驅(qū)動(dòng)腿部都是采用輪槳混

如圖1.3(b)所示，該機(jī)器人具備水中游動(dòng)和陸地上爬行運(yùn)動(dòng)功能，擁有較強(qiáng)的兩棲環(huán)境適應(yīng)性。其中每條步行腿擁有四個(gè)自由度，陸地上爬行階段，依靠髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及俯仰作為驅(qū)動(dòng)，其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)冗余；水下運(yùn)動(dòng)階段，依靠髖關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及俯仰關(guān)節(jié)為驅(qū)動(dòng)，其中膝關(guān)節(jié)冗余。該機(jī)器人具備較強(qiáng)的承載驅(qū)動(dòng)能力，且機(jī)器人具備機(jī)動(dòng)性和靈活性好的優(yōu)勢(shì)。北京航空航天大學(xué)研究人員依據(jù)鱷魚生物原型研制能夠?qū)崿F(xiàn)陸地爬行、水中浮游運(yùn)動(dòng)的兩棲機(jī)器人，如圖 1.3(c)所示。（a）輪槳混合機(jī)器人 （b）MiniTurtle-I （c）仿鱷魚機(jī)器人（d）仿蟹機(jī)器人 （e）兩棲四足機(jī)器人 （f）仿海龜機(jī)器人圖 1.3 國(guó)內(nèi)兩棲仿生機(jī)器人哈爾濱工程大學(xué)于 2001 年獲得國(guó)家自然科學(xué)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2780580