两栖机器人的腿式—矢量喷水复合推进的仿生运动机制研究

Aiming at the important issues existing in amphibious robots, such as low composite efficiency of the propulsion mechanism, lack of interactive compliance betweent the environmental media and the propulsion mechanism, and lack of precise quantitative assessment of the carrying capacity, a new leg-vectored water jet composite propulsion mechanism-based amphibious robot is proposed on the basis of mechanism theory, fluid-solid coupling theory and adaptive compliant control from the bionics. Under the circumstance of multi-constraints in the amphibious environment, syntheses and optimization are performed by using mechanics theory, screw theory and set theory as tools with the target of high composite degree and dexterity. According to building the inverse dynamic models for amphibious robot and obtaining the interactive force between the amphibious propulsion mechanism and the environmental media, the interactive force and motion can be decoupled. A method of quantitative assessment of motor function of the amphibious robot is to be built using multi-sources information fusion. Expected outcomes in this project would provide theoretical and technical support to future amphibious robot and compensate the flaws existing in amphibious robot. It is very meaningful for the industrial and civil applications of amphibious robotics.

针对目前两栖机器人尚存在两栖驱动机构复合效率低、与不同环境介质的交互性不足以及缺少两栖机器人的介质通过能力的量化评价标准的问题，本项目从仿生学角度出发，利用机构学理论、流固耦合理论和多源信息融合理论，提出一种基于腿式—矢量喷水复合推进的球形两栖机器人系统的方案。针对两栖运动环境的多约束条件，以机器人两栖驱动复合度和灵活度为最优为目标，以力学理论、旋量理论和集合论为理论工具进行两栖机器人仿生两栖复合驱动机构的综合与优化。建立两栖机器人系统动力学模型，提取两栖驱动机构与环境介质的交互力信息，实现两栖运动的解耦。采用多源信息融合法，融合视觉信号、力学信号、触觉型号，建立两栖机器人运动功能定量化评价指标。本项目的预期成果将为未来复杂环境下两栖机器人的研制提供理论和技术支持，弥补现有两栖机器人的不足，对两栖机器人的工程化具有重要意义。

针对目前两栖机器人尚存在两栖驱动机构复合效率低、与不同环境介质的交互性不足以及缺少两栖机器人的介质通过能力的量化评价标准的问题，本项目提出了一种基于腿式—矢量喷水复合推进的球形两栖机器人系统的方案，集中研究了面向复杂介质环境的机器人仿生两栖驱动机构的创新与优化设计理论、两栖机器人系统动力学建模理论、基于多源信息融合的两栖复合运动模式选择方法。首先，建立了两栖机器人仿生驱动机构运动与约束条件空间描述，完成了两栖机器人在移动中介质与驱动机构匹配机理的设计，建立了多约束条件下两栖驱动机构末端关节运动与两栖机器人机构拓扑构型综合理论、以机器人两栖驱动灵活度最佳为目标的优化方法；其次，完成了针对不同介质环境的两栖驱动机构动力学模型参数的求解，分析了交互力解耦与两栖机器人动力学模型的关系，针对机器人两栖驱动机构整体运动的逆动力学模型中的参数求解，提出了一种在线求解介质力学特征参数的通用方法；再次，融合视觉、力学及触觉信号的多源信息建立了两栖机器人复合运动功能定量评价方法，分析了介质信息与机器人两栖运动的映射关系、多源信息与两栖机器人复合驱动机构各关机运动功能的关联关系，确定基于多源信息融合的两栖机器人运动功能的量化评价指标，实现了两栖机器人针对不同介质环境特征自主提供运动策略；最后，完成了两栖驱动样机及球形两栖机器人整体的成型加工与装配、两栖运动实验，实现了基于介质与驱动机构交互力解耦的柔顺控制，并基于多源信号融合算法对介质特征信息量化，从而完成了机器人两栖运动功能量化评价实验。本项目的成果为复杂环境下两栖机器人的研制提供理论和技术支持，提高了水陆两栖机器人的地形适应能力和通过能力，弥补了现有两栖机器人的不足，对城市河道水污染检测、市政管道检测、水产养殖和教育娱乐行业等应用领域具有实用意义。