两栖机器人步态规划研究

【摘要】两栖机器人能在陆地、水中和水陆过渡环境中推进,具有极强的环境适应能力,可以充当两栖环境中侦察、勘探、通讯、救援等任务的载体,代替人类执行农田病虫害监控、抗震救灾、海洋资源探测、两栖战场排雷等任务,应用前景非常广阔。目前,两栖机器人的研究主要集中于单一环境下推进机构的设计和推进机理研究,对于能够实现两栖运动的复合推进机构以及机器人在过渡环境中运动的研究还比较少。因此,两栖机器人的复合推进机构的研究和水陆过渡环境中运动性能的探索有着重要的研究意义。本文提出了一种新型的基于复合推进机构两栖机器人,对机器人进行了运动学分析,对机器人在陆地、水下和水陆过渡环境中的运动进行步态规划,并在不同环境下对机器人的推进性能进行了实验研究。本论文的主要研究内容和成果如下：(1)两栖机器人AmphiHex的系统设计。通过对当前两栖机器人推进方式的研究,设计了一种在陆地由弧形腿推进,在水下由桨式腿推进的两栖机器人AmphiHex,包括机器人变形腿的设计、机器人整体结构设计、控制系统系统硬件设计以及控制系统软件设计。(2)对AmphiHex的弧形腿模型进行运动学分析和动力学分析。建立了弧形腿的运动学模型,计算了机器人推进速度与弧形腿运动的关系,探究了弧形腿的不同的运动参数对机器人姿态的影响,并对机器人在陆地上的运动模型进行了动力学分析。(3)两栖机器人AmphiHex步态规划。通过对AmphiHex步态参数的研究,设计了机器人在不同环境中的步态,包括陆地上的三角步态、四足步态、六足同步步态,水下的前进、后退、转向等步态,以及过渡环境中的复合步态,研究了机器人的步态转换方案。(4)AmphiHex推进性能进行测试。AmphiHex在平地上的最大推进速度为0.48m/s,能爬上斜坡的最大角度为35°,能够越过高度为180mm的障碍物,可以爬上单级台阶低于160mm的楼梯。机器人可以实现水下的各种机动动作,在静水中的最大推进速度为0.25m/s,能在水陆过渡环境中实现水陆运动转换,并能以复合步态在实现登陆和入水。
【作者】孔子文；
【导师】张世武；
【作者基本信息】中国科学技术大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】两栖机器人；变形腿；复合推进机构；步态规划；过渡环境；

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