仿生双足机器人水上行走动力学机理及实现方法研究

蛇怪蜥蜴遇到紧急情况时，会跃上附近的水面，以后肢为支撑和驱动在水面上奔跑，平均速度达到1.5m/s。相对于轮船而言，这种前进方式能够降低水面的粘滞曳力，从而大大提高推进器的效率。本课题对蛇怪蜥蜴水上行走过程进行动力学分析，运用流体力学理论对水上行走时气穴的产生及破坏机理进行分析，利用结构仿生原理建立水上行走双足机器人运动模型。应用Grashof机构与欠驱动机构设计行走系统，根据蛇怪蜥蜴水上行走时各关节的运动轨迹，确定各连杆的长度，利用虚拟样机技术进行仿真和优化。利用复杂零动态理论对该欠驱动机器人进行稳定判定和运动控制，利用有限时间收敛反馈控制器对行走过程进行控制，实现机器人的水上动态稳定行走，运用虚拟现实技术构建机器人仿真环境，对控制过程进行运动学和动力学仿真。最后研制出原理样机。本项目的研究成果将完善两栖机器人的水上运动模式，为研发双足两栖仿生机器人提供理论基础和设计依据。

占地球表面积71%的海洋蕴含着巨大的能源，海洋资源的勘探、开发与利用受到世界各国的普遍重视。另外，沼泽湿地被誉为“地球之肾”，如今，各国都加紧了对沼泽湿地的探测、研究与保护，但由于其常年积水或土壤过于湿润，加大了探测工作的难度。目前，人类使用最普遍最有效的基于水面环境的交通工具是船舶。现在人类已知的漂浮机理主要有三种形式：浮力、表面张力、快速拍击水面形成气穴进而产生上升力。第三种漂浮机理由于受到的水面粘滞曳力较小，行进速率较高，能耗利用更为有效。. 国家自然科学基金“仿生双足机器人水上行走动力学机理及实现方法研究”正是基于此方面的内容开展研究工作的。此课题参照蛇怪蜥蜴，进行了漂浮机理的分析，通过对蛇怪蜥蜴身体结构的研究，设计了仿生双足水上行走机器人的原理样机，并提出适合于此机器人的智能控制方法。通过对机器人的建模与仿真，验证了机械设计的合理性与控制方法的有效性。最后，制作完成了仿生双足水上行走机器人的实物，搭建了实验平台，并进行了实验研究与数据分析。. 通过本课题，对基于快速拍击水面产生上升牵引力的漂浮机理进行了积极有效的探索和尝试，对基于这种机理的机器人样机结构设计和控制方法提供了一定的参考和启发，为以后研究两栖足式机器人奠定了一定的基础。