一种新型水陆两栖球形机器人的设计与研究

在球形机器人研究成果的基础上，利用球形机器人全封闭的特性，通过在球形机器人内部安装螺旋推进装置，提出了一种具有水陆两栖功能的球形机器人。该机器人既可以在陆地及水下自由滚动，同时也可以在水中运动，扩大了球形机器人的使用范围。.针对所提出的水陆两栖球形机器人机构，本项目将开展基于这种结构类型的球形机器人的驱动机构优化设计、水下运动学及动力学分析以及水下运动控制等的研究工作，并研制出相应的原理样机对理论分析结果进行实验验证。.本项目面向军事，科研，海洋探测与开发等方面的需求，所提出的球形机器人涉及机械、电子、控制等技术领域。本项目的研究将不仅在水陆两栖机器人的机构设计、运动学、动力学、运动规划及控制的研究中具有重要的学术意义，而且其研究成果在实际应用中也有广泛的应用前景。

本课题研究一种带有推进器和重摆驱动的球形两栖机器人，提出一种机器人的总体结构并对关键结构进行性能分析，尤其是分析了机器人的水动力特性、水下运动特性和地面滚动特性，同时也建立了水中和陆地运动及动力学模型，并研究了姿态和路径跟踪控制算法，以及水下自主控制策略。该种两栖球形机器人具有全封闭的特性，抗压性能好，运动效率高，运动灵活等优点，同时具备水中推进和陆地滚动能力，具有广泛的应用前景。.得出两栖球形机器人总体构型并完成了水动力分析。提出一种既可以在水中游动又可以在陆地滚动的球形机器人总体构型方案，能够实现螺旋桨水中推进和水底滚动的复合机构；在水动力特性方面将机器人的形体结构简化成三种等效模型，球体模型仿真与理论计算对比证明仿真分析的正确性；采用有限元方法计算分析导管球模型壳体周围压强分布与流体速度分布特点；搭建螺旋桨和球体装配一体化模型，仿真得出球壳参数和螺旋桨工作参数的影响规律。.完成两栖球形机器人的关键结构的性能分析和动力学模型建立。对球形机器人的各子部分空间布局进行优化，根据飞轮转向性能与飞轮的转动惯量和转速的关系，确定飞轮的尺寸和飞轮的拓扑结构，依据相关标准对球壳的材料和抗压强度进行了计算和校核；采用拉格朗日方法建立机器人的陆地滚动动力学模型；结合机器人受到的外部水动力和内部刚体力，用数学方程来描述球形机器人在水下的运动状态；结合水动力和滚动摩擦力约束条件，建立了机器人水底滚动数学模型。.提出了两栖机器人姿态控制方法和轨迹跟踪控制方法。反演设计方法与滑模变结构方法结合使用，将复杂的非线性系统分解，然后分别设计滑模控制律来实现对机器人的控制；提出一种基于神经网络的两级滑模方法对机器人重摆的摆动进行抑制；建立了垂直面运动子系统的动力学模型，并采用神经网络反演控制方法研究其轨迹跟踪控制策略；研究水平面运动子系统的直线轨迹保持方法及半圆式运动轨迹。.提出两栖机器人的水中航线控制方法和自主控制策略。针对机器人即可以在水中游动又可以在陆地滚动的特点，提出一种水中运动和水底定点观察相结合的控制策略；运用一种基于视线角的方法来实现机器人水中航线控制；研制出的两栖机器人实验样机，配置运动控制及自主观测所需的传感器，仿真和实验结果进一步证明了机器人的优异性能；开发出机器人的控制系统，机器人能将图像等重要数据回传到控制台。