[发明专利]一种非叠加型可变形两栖机器人水下推进方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种两栖机器人设计方法，具体涉及一种非叠加型可变形两栖机器人水下推进方法，属于智能电子产品技术领域。

背景技术

水陆两栖机器人的应用范围、作业环境和执行任务在广度方向得到了提升，现有的两栖机器人主要有履带推进、螺旋桨推进、喷水推进、划水推进、仿生推进方式，螺旋桨推进和喷水推进具有较优的水中推进性能，但需要额外添加推进系统；履带划水推进结构简单，但航速较慢，效率也较低；鱼类利用身体和尾鳍的摆动产生推进力的方式是自然界中水中最主要的推进方式，模拟这种运动的推进方式具有效率高、低噪声的优势；常规的复合驱动型机器人需要在面向单环境的机构基础上添加额外的推进机构，从而使用不同机构实现对应环境下的推进，但这种方式增加了机构设计的复杂程度，从而带来质量、体积、控制复杂度的增加，水环境推进机构在陆地环境中可能会成为运动的阻碍，反之亦然；另外，传统的水陆两栖机器人的形状是固定不变的，限制了其应用范围。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为解决上述问题，本发明提出了一种非叠加型可变形两栖机器人水下推进方法，提出基于该构型的两种水下推进方式，履带划水推进利用划水的反作用力产生推进力，仿生划水利用关节角度之间的改变以及机构方面的优化设计，实现仿鱼类的推进方式；分别建立两种推进方式的水中推进模型，并对运动性能进行分析，进而指导机器人水中运动控制。

（二）技术方案

本发明的非叠加型可变形两栖机器人水下推进方法，包括以下步骤：

第一步：针对链式构型在陆地环境和水环境中的运动性能优势，提出了一种没有添加额外水下推进机构的基于两栖环境功能复用的非叠加型链式可变形构型，利用一组同步的偏转关节和两组俯仰关节实现机器人在两栖环境中的构型改变；通过模块功能复用在实现在陆地环境的高机动性能的同时，实现机器人在水环境中的多模态、多冗余的仿生推进方式；

第二步：在理想推进器模型和动量定理的基础上建立履带划水的推进模型，通过仿真分析并建立了履刺高度、划水速度等机构参数和运动参数对水下推进性能问的关系，实现履带划水推进的参数化控制；

第三步：针对机器人的仿生推进方式，建立运动学-动力学联合推进模型和转向模型，考虑到其在连续运动中运动学规律和流体力两者之间的耦合性，引入了拉格朗日方法，利用第二拉格朗日方程中广义力与流体力的关系得到机器人的运动学一动力学联合方程，通过仿真分析并建立了幅值、频率、尾部偏置等运动参数对仿生水下推进性能间的关系，实现仿生划水推进的参数化控制；

第四步：通过Amoeba-II样机在水池内的试验，验证两种水下推进方式的有效性，并在推进速度、稳定性、机动性等方面进行对比分析。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明的非叠加型可变形两栖机器人水下推进方法，提出基于该构型的两种水下推进方式，履带划水推进利用划水的反作用力产生推进力，仿生划水利用关节角度之间的改变以及机构方面的优化设计，实现仿鱼类的推进方式；分别建立两种推进方式的水中推进模型，并对运动性能进行分析，进而指导机器人水中运动控制。

具体实施方式

一种非叠加型可变形两栖机器人水下推进方法，包括以下步骤：

第一步：针对链式构型在陆地环境和水环境中的运动性能优势，提出了一种没有添加额外水下推进机构的基于两栖环境功能复用的非叠加型链式可变形构型，利用一组同步的偏转关节和两组俯仰关节实现机器人在两栖环境中的构型改变；通过模块功能复用在实现在陆地环境的高机动性能的同时，实现机器人在水环境中的多模态、多冗余的仿生推进方式；

第二步：在理想推进器模型和动量定理的基础上建立履带划水的推进模型，通过仿真分析并建立了履刺高度、划水速度等机构参数和运动参数对水下推进性能问的关系，实现履带划水推进的参数化控制；

第三步：针对机器人的仿生推进方式，建立运动学-动力学联合推进模型和转向模型，考虑到其在连续运动中运动学规律和流体力两者之间的耦合性，引入了拉格朗日方法，利用第二拉格朗日方程中广义力与流体力的关系得到机器人的运动学一动力学联合方程，通过仿真分析并建立了幅值、频率、尾部偏置等运动参数对仿生水下推进性能间的关系，实现仿生划水推进的参数化控制；

第四步：通过Amoeba-II样机在水池内的试验，验证两种水下推进方式的有效性，并在推进速度、稳定性、机动性等方面进行对比分析。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。