發(fā)布時間：2017-12-29 18:42

  本文關鍵詞：仿生青蛙機器人及其游動軌跡規(guī)劃的研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 仿生青蛙機器人 動力學建模 游動效率 軌跡規(guī)劃 肌骨骼模型

【摘要】：近年來,隨著我國海洋資源開發(fā)戰(zhàn)略和軍事戰(zhàn)略的發(fā)展,急需可適應復雜作業(yè)環(huán)境和任務需求的水陸兩棲機器人,以執(zhí)行人類無法完成的近海域多種作戰(zhàn)和探測任務。因此研制既能適應陸地和近海灘涂的多變地形,又能適應復雜水下環(huán)境的兩棲機器人具有重要的實用價值和現(xiàn)實意義。青蛙具有優(yōu)異的水陸兩棲運動能力,雖然其水下游動性能與效率稍遜于采用胸鰭擺動和尾鰭波動等推進方式的魚類,但是其能夠將水下游動與地面跳躍功能相結合,以腿式結構實現(xiàn)靈巧的兩棲運動是青蛙的最大亮點。目前對仿生青蛙機器人的跳躍功能研究相對較多,而青蛙游動機理在機器人中的應用研究卻較少,因此本文針對仿生青蛙機器人及其游動軌跡規(guī)劃進行研究,為仿生青蛙兩棲機器人的發(fā)展奠定基礎。觀測生物青蛙的游動過程并提取運動軌跡是研究仿生青蛙機器人的基礎。根據觀測實驗采集的運動數(shù)據,需要對陸生青蛙和水生青蛙的運動模式進行分析,研究青蛙游動機理中的流體受力問題。本文在流體仿真軟件FLUENT中,基于計算流體力學(CFD)方法,進行青蛙自主游動仿真,求解青蛙游動的流體力學問題。根據仿真結果,從腳蹼推進力的升力和阻力分量分析青蛙游動機理,并結合腳蹼運動模式與青蛙附近流場信息,研究青蛙的推進效率,為后續(xù)仿生青蛙機器人設計與軌跡規(guī)劃研究奠定基礎。雖然基于CFD的仿真方法能夠求解腳蹼水動力,但該方法存在計算穩(wěn)定性差,效率低,耗時長等問題,不能應用在優(yōu)化設計以及其他需要在線計算的場合中。因此利用理論流體力學方法,將水動力分解為準靜態(tài)阻力和附加質量力,快速求解腳蹼推進力,并建立青蛙動力學模型,從而優(yōu)化仿生青蛙機器人的機構模型。采用氣動肌肉作為仿生青蛙游動機器人的驅動器,高速開關閥作為氣動系統(tǒng)的控制元件,設計出機電氣一體的仿生青蛙機器人樣機。根據生物青蛙推進階段運動模式特點及其游動機理,研究基于腳蹼運動空間的軌跡規(guī)劃方法,從而生成一種既能體現(xiàn)青蛙運動模式特點,又適應機器人驅動器要求的運動軌跡,指導機器人的游動實驗研究。根據對青蛙游動機理的分析,在推進階段從腳蹼加速度規(guī)律層面進行軌跡優(yōu)化,在恢復階段根據腳蹼最小阻力條件進行軌跡規(guī)劃,從而得到機器人整個游動周期的運動軌跡。為了對機器人設計以及軌跡規(guī)劃結果進行實驗驗證,還需要研究仿生青蛙機器人的控制問題。以高速開關閥的PWM占空比作為肌肉激勵信號,通過建立的肌肉動態(tài)模型,關節(jié)模型以及氣路流量模型,確定開關閥占空比到關節(jié)運動角度之間的非線性關系,從而得到機器人肌骨骼系統(tǒng)的模型。根據仿青蛙運動中各關節(jié)驅動規(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方法對各關節(jié)進行控制,完成機器人的游動實驗。搭建機器人實驗平臺,在機器人軀干中集成微控制器,通過無線通訊與上位機傳輸數(shù)據和控制命令。通過機器人水下游動實驗來驗證機器人設計的合理性,軌跡規(guī)劃的正確性以及控制系統(tǒng)的可行性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻】

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本文編號：1351430