水下狭窄空间探测的仿河狸爬游式机器人稳态游动机理及实现方法研究

The underwater confined space exploration is of great significance for human to cognize and reasonably develop and utilize the ocean, or even to reveal the origin and evolution of the earth, as well as to use for rescue, salvage, military, and so on. Underwater robots have been widely used as tools for underwater exploration, but they can not effectively complete the exploration task in underwater confined space. A beaver-like robot that can swim and crawl by using only one set of driving mechanism is proposed in this project, and the steady-state swimming mechanism of the robot and its realization method is taken as the breakthrough point of the research. Theoretical modeling and perceptual correction method are adopted to construct an accurate swimming dynamic model with rigid-flexible-liquid coupling of the robot. A swimming stability criterion for the beaver-like robot is proposed, and the coordinated motion planning method for steady-state swimming of the robot is studied based on the offline planning, online correction, and self-learning mechanism. The synchronous coordinated control theory for steady-state swimming of the robot is established using the nonsingular fast terminal sliding mode theory, perturbation observation, and cross-coupling control strategy. Finally, the study on steady-state swimming mechanism of the beaver-like robot and its realization method is completed. This work will lay a solid theoretical foundation for the application of the beaver-like robot in underwater confined space exploration, and effectively enhance the human’s underwater exploration ability.

水下狭窄空间探测对于人类认知海洋、合理开发利用海洋乃至揭示地球的起源与演化过程以及用于救援、打捞和军事等意义重大。水下机器人作为探索水下的工具得到了广泛应用，然而现有的水下机器人并不能有效完成水下狭窄空间探测任务。本项目创新的提出一种仅采用一套驱动机构即可实现游动和爬行的仿河狸爬游式机器人，并以机器人稳态游动机理及实现方法作为研究的切入点；采用理论建模和感知修正方法，构建准确的机器人刚-柔-液耦合游动动力学模型；提出仿河狸爬游式机器人游动稳定性判据理论，基于离线规划、在线修正和自学习机制，探索机器人稳态游动的协调运动规划方法；采用非奇异快速终端滑模理论并结合扰动观测和交叉耦合控制策略，建立机器人稳态游动的同步协调控制理论。最终，探明了仿河狸爬游式机器人稳态游动机理及实现方法，为仿河狸爬游式机器人应用于水下狭窄空间探测奠定坚实的理论基础，有力提升人类水下探测能力。

水下狭窄空间探测对于人类认知海洋、合理开发利用海洋乃至揭示地球的起源与演化过程以及用于救援、打捞和军事等意义重大。现有机器人虽然在水下狭窄空间探测中发挥了重要作用，但是并不能完全满足水下狭窄空间探测任务的需求。本项目以河狸作为仿生对象，创新的提出仅采用一套驱动机构即可实现游动和爬行的仿河狸爬游式机器人，并以机器人稳态游动机理及实现方法作为研究的切入点。首先，在分析河狸身体及骨骼结构基础上，开展了仿河狸爬游式机器人机构构型设计与优化，构建了机器人整体刚-柔耦合结构，并搭建机器人控制硬件系统，完成了仿河狸爬游式机器人样机的系统集成及实现。其次，构建脚蹼刚-柔-液耦合动力学模型，提出划动力因子、最大迎流流速及复合划动力参数，完成脚蹼在不同迎流流速下划动性能的评价与分析；并构建机器人刚-柔-液耦合游动动力学模型，揭示了机器人与水体之间的刚-柔-液耦合动力学过程。然后，提出基于干扰力矩与最大恢复力矩的机器人游动稳定性判别指标，建立机器人游动稳定性判别方法及稳定裕量表示方法，形成完整有效的机器人游动稳定性判别理论，通过仿真验证了机器人稳定性判别方法的有效性。进一步，对河狸稳态游动方式及运动轨迹进行分析，以此建立了机器人稳态游动的规划方法，并对机器人游动效率进行分析，通过实验证明仿生游动轨迹具有更高的游动速度和游动效率，验证了机器人稳态游动规划方法的有效性。最后，建立了机器人非线性振荡游动控制器，实现了机器人游动轨迹跟踪控制；构建了基于Q-learning强化学习的机器人稳态游动控制模型，形成了机器人同步协调运动控制方法；提出并建立了基于深度强化学习的机器人稳态游动控制算法，实现了机器人自学习稳态游动，有效提升了机器人适应复杂环境的能力。本项目揭示了适于水下狭窄空间探测的仿河狸爬游式机器人稳态游动机理与实现方法，为机器人应用于水下狭窄空间探测奠定坚实的理论基础，有力提升人类水下探测能力。