基于机械手的多功能仿生机动浮标动态设计

浮标系统是海洋环境立体监测不可或缺的核心装备。针对系泊浮标的观测范围有限且布放成本高、漂浮浮标难以实现特定站点观测等不足，本项目提出一种新型多功能仿生机动浮标系统。通过浮标上安置机械手，可实现仿生自航、站点保持(Station keeping)、锚定/抓取作业等多种功能。本项目研究涉及标载可展机械手拓扑结构设计和机构参数优化设计、基于流固耦合动力学的仿生机动推进机理分析、基于单边接触模型的机械手锚定/抓取过程的动力学仿真与自适应控制。在此基础上，建立机动浮标的虚拟样机模型和物理实验样机，对其进行工作过程动态模拟、实验测试和性能预估。通过上述研究揭示机械手与标体耦合机理，深入分析机械手与浪/流/操作对象等环境因素的相互作用，为开发具有我国自主知识产权的多功能仿生机动浮标奠定坚实的理论和技术基础，具有重要的科学意义和实际应用价值。

本项目针对系泊浮标的观测范围有限且布放成本高、漂浮浮标难以实现特定站点观测等不足提出一种新型多功能仿生机动浮标概念，并对机动浮标波浪能直接驱动推进机构动力学、仿生推进机构设计和运动模拟进行了研究和机动浮标-机械手动力学和相互耦合运动的等方面进行了研究，该工作对于拓展浮标的功能实现对海洋环境因素的认知具有较重要的意义。.项目提出了基于波浪能直接驱动的机动浮标的推进机构，并对其运动机理进行深入研究，建立推进机构的简化动力学模型，分析了波浪激励因素（如波高、频率等）、机动浮标物理参数（如浮体的静水刚度、翼片倾角限位以及旋转刚度）与推进运动的相互关系，研究了上述参数对推进性能的影响情况，并采用多体动力学方法建立了动态模型，并进行了详细运动模拟和动态设计，建造了波浪能直接驱动的机动浮标实验样机，设计了相应的测试控制系统，并进行了实验室水槽实验和海上实验。.从波浪能直接驱动的推进装置的原理出发，结合水生动物仿生推进机理的分析和海洋观测功能要求，设计了基于鸭蹼的阻力推进模式和基于海龟扑翼的升力模式的推进机构，采用机构综合的方法进行了实现给定位姿和轨迹的四连杆机构的设计，对仿生推进机构的运动和水动力学进行了仿真，对于深入理解水中仿生推进的机理和水中仿生推进机构的设计和改进具有借鉴价值。.开展了机动浮标-机械手的耦合动力学和控制的研究，在建立机动浮标-机械手系统动力学模型的基础上，研究了机械手运动和本体相互影响，分析了二者之间耦合作用的机理。利用机构摆动力和摆动力矩平衡的理论，进行了不同机械手运动轨迹和模式对本体位姿的影响，分析机械手运动与本体扰动之间的关系。利用模糊理论和间接自适应控制方法进行了机械手运动规划的研究。