基于偏心桨机构的两栖机器人环境适应性运动生成基础研究

The robots that can work in the harsh amphibious environment have wide application prospects in the military, scientific exploration, disaster relief and other areas. For the lack of mobility, energy efficiency and motion continuity of existing amphibious robot, we have proposed a novel robot movement unit-eccentric paddle mechanism (ePaddle). There are several feasible amphibious gaits for the ePaddle. In order to generate the stable, high energy efficient environment adaptive motion, this project adopts the ePaddle-based amphibious robot as the research object, conducts research on the scientific issues, such as: dynamic modeling of ePaddle based robot under multi-media environment and complex terrain; study of generation mechanism for the environment adaptive motion; prototype development, testing and mobility evaluation of ePaddle based robot. The smooth implementation of this project is expected to bring breakthrough in the theoretical and technical perspectives: propose the innovative movement form and control method of an amphibious robot with versatile locomotion ability, propose the design method of reflex mechanism of robot to access the soft terrain, and develop system prototype of the ePaddle based amphibious robot. The research of this project will provide the basic theory and experimental research platform for the development of amphibious robot in the harsh environment.

恶劣两栖环境下的危险作业机器人在军事、科学探索、抢险救灾等领域具有广阔的应用前景。针对现有两栖机器人在机动性、能效性和运动连续性等方面的不足，项目组提出了一种新颖的两栖机器人运动单元-偏心桨机构，其具有运动模式可变、步态丰富的特点。本项目以基于偏心桨机构的两栖机器人为研究对象，以稳定、高能效的环境适应性运动生成为具体目标，开展多介质环境-复杂地形中偏心桨机器人动力学建模与交互作用分析、环境适应性运动步态生成机制、两栖机器人环境适应性运动生成实验等理论和关键技术的研究。本项目的顺利实施预期在基础理论和关键技术上有所创新和突破：提出一种能够完成两栖任务的全地形移动机器人的创新运动形式及其相应的控制方法，提出泥泞-稀软地形下两栖机器人主动交互及反射机制设计方法，研发偏心桨两栖机器人原理模型一套，为恶劣两栖环境下危险作业机器人的研发提供具有广泛指导意义的理论依据和明显后效性的实验研究平台。

针对目前对恶劣两栖环境下危险作业机器人的需求，本项目以基于偏心桨机构的两栖机器人为对象，以稳定、高能效的环境适应性运动生成为具体任务目标，开展了如下研究：.基于能量输入分配的驱动优化设计方面，本项目针对偏心桨机构多种步态对各关节的能量输入要求差异较大的特点，从步态输入能量模式分析入手，设计了具有输入能量分配功能的驱动机构，并对为不同的步态建立能量分配模式，优化了输入能量的分配，理论分析和实现结果验证了该驱动机构的在能量分配的优化特性；.在多介质环境下动力学建模方面，建立了不同运动形式下偏心桨机器人的动力学模型以及机器人-地形交互模型。提出了基于刚-柔混合的柔软地面交互模型和流-固耦合动力学模型来描述基于偏心桨机构的两栖机器人在松软地面和水下环境中存在的非线性、强耦合交互过程；.两栖机器人多步态生成机制方面，本项目根据偏心桨机构运动步态的特征，设计了高效高精度的非回转腿式步态生成方法，该方法能保证在所有关节输入角速度连续且不发生正反往复转动的情况下、实现偏心桨两栖机器人的连续腿式行走运动；设计了基于中枢神经发生器（CPG）的水下多步态统一生成器，并提出了基于振荡器相位调整的水下步态间平滑转换方法； .泥泞-松软地面下两栖机器人交互反射机制方面，本项目基于Bekker的承压模型公式和Harrison 的被动承压理论，对桨-地面的交互周期进行了分段建模，得出桨-轮-地面在不同交互阶段产生的推力和举升力；构建了软土交互机制实验平台及障碍物交互及跨越实验平台，验证了偏心桨机器人交互反射机制的有效性；.在偏心桨两栖机器人实验样机方面，开发了四模块构型的偏心桨两栖机器人实验样机，验证了基于偏心桨两栖机器人的多介质环境移动能力；并作为任务载荷搭载在水面机器人中组成多介质环境下无人测量系统，在东海岛礁区域进行了海试，绘制了5米以浅岛礁海域的一线海图数据，相关研究成果及应用获得了2016年国家技术发明二等奖。