基于章魚仿生的雙足水下行走軟體機器人

xxxxxx：xxx基于章魚仿生的雙足水下行走軟體機器人xxxxxxxxx目錄CONTENTS++椰子章魚雙足行走分析01雙線驅動的章魚臂的設計02章魚機器人硬件結構設計03周期控制雙足行走原理04課題研究背景"十四五"規(guī)劃指出，深海探索、海洋資源開發(fā)利用等已逐步成為新興的核心領域，關注深海、聚焦海洋資源已經上升至國家戰(zhàn)略層面，因此水下機器人的研究也刻不容緩了本文借助于椰子章魚具有利用腕臂"行走"的能力，相較于其他與地面接觸的移動方式，這種方式速度較快且對水下環(huán)境非常友好運動過程中，"2足"和"6手"的分工，使其在趨利避害和捕食方面比其他頭足類生物更靈活，行走速度高達14cm/s因此，開發(fā)基于章魚仿生的水下雙足行走軟體機器人，有助于揭示章魚的雙足行走原理及進化機理，對了解章魚進化、開發(fā)新型人工智能技術具有重要科學意義新建MicrosoftWord文檔國內外現狀新建MicrosoftWord文檔水下軟體機器人是以水下軟體無脊椎生物為原型，軟體機器人的軀體主要是由可以承受較大形變的硅橡膠等彈性材料構成，楊氏模量均小于10Mpa，自由度極高許多科研人員受啟發(fā)于一些海洋無脊椎生物的外形結構特征和運動機理，設計制造出了不同種類的水下仿生軟體機器人系統哈佛大學RobertWood團隊研發(fā)設計的octopus小章魚，如圖(左)所示，該機器人結合了軟體3D打印、化學反應功能、流體驅動等多項技術，是世界上第一個純軟體機器人英國倫敦大學機器人學JanFras等人同樣創(chuàng)造出了一款全軟體的章魚機器人，如圖(右)所示，通過流體驅動原理實現運動新建MicrosoftWord文檔北航、國防科大、中科院自動化所、哈工大、浙大、上交大等機構，在機器魚、仿生牛鼻鲼、蝠鲼等在仿生機構、推進效率、控制等方面取得較大進展典型代表有以水下游動為主的浙江大學與之江實驗室聯合開發(fā)的仿生蝠鲼機器人，如圖所示，創(chuàng)下了潛游馬里亞納海溝水下萬米的記錄，以及中國科學院、北京大學為代表的尾鰭推進和波動鰭推進仿生機器魚和仿生海豚,哈工大研發(fā)的仿生墨魚、中國科學技術大學張世武等開發(fā)的仿生兩棲軟體機器人、西北工業(yè)大學的仿生蝠鲼、北航文力的仿生鮣魚等新建MicrosoftWord文檔運動模型建立13.1雙足行走分析3.1雙足行走分析椰子章魚雙足運動情況如圖所示，整個運動過程中至少有一只觸手與地面保持接觸，另外六只觸手會保持不同程度的彎曲并且在身體周圍環(huán)繞將章魚行走時單個觸手的運動周期分為四個階段：1)觸手抬起，向運動方向彎曲2)觸手與地面接觸，保持自身的穩(wěn)定3.1雙足行走分析3)觸手近端向后方彎曲使觸手前端與地面滾動接觸，推動身體向前運動4)抬升觸手并離開地面23.2雙線驅動的章魚臂的設計3.2雙線驅動的章魚臂的設計仿生章魚臂整體結構主要分為兩段，如圖所示，能夠實現不同程度的彎曲其中，第一段彎曲模仿章魚腕臂向運動方向抬腿彎曲離開地面的動作，第二段彎曲模仿章魚腕臂的近端肌肉，能夠帶動觸手遠端與水底環(huán)境滾動接觸兩根長短不同的驅動線纜被分別嵌入其內部通過拉伸驅動線纜來模擬章魚腕臂縱向肌肉收縮舒張的能力拉伸長驅動線纜L可以控制整條腕臂的彎曲，拉伸短驅動線纜S可以控制近端手臂的彎曲33.3硬件結構設計3.3硬件結構設計1)伺服電機，選用JX6221型防水舵機，最大轉角180°，轉速0.12sec/60°，最大扭力為32.3kg.cm2)收線盤，用于配合舵機拉伸兩根驅動線纜，收線盤A直徑為4mm，收線盤B直徑為5mm3)亞克力板材質的支撐平臺，不僅能夠固定舵機和收線盤的位置，而且可以向下連接仿生章魚臂3.3硬件結構設計電控系統由PC和WTServo16控制板組成根據本章2.2.1中椰子章魚雙足行走步態(tài)信息可以看出，在雙足行走動作時兩條觸手分別以不同相位進行運動，本文中將每條章魚腕臂的運動看作是周期性運動整個過程中至少有一條章魚腕臂保持與地面接觸，從運動學角度分析，這種移動方式可被認定為行走43.4雙足周期控制行走原理3.4雙足周期控制行走原理在雙足行走動作時兩條觸手分別以不同相位進行運動，本文中將每條章魚腕臂的運動看作是周期性運動整個過程中至少有一條章魚腕臂保持與地面接觸，從運動學角度分析，這種移動方式可被認定為行走單條仿生章魚臂的軟件控制流程如圖2.8所示，其中count為動作周期計數器，在機器人執(zhí)行完一個周期的動作后加1，num表示仿生章魚機器人需要執(zhí)行行走動作的周期數為控制動作周期，在兩個動作指令間加入Delay函數驅動線纜的拉伸、釋放和維持三個動作，分別由舵機的正轉、反轉和靜止來具體實現當count≤num時，機器人周期性的完成各個階段的動作3.4雙足周期控制行走原理05Step.05當count>num時，機器人停止運行04Step.04動作C：拉伸長驅動線纜L，保持短驅動線纜S為上一階段狀態(tài)，使得章魚腕臂離開地面03Step.03動作B：釋放長驅動線纜L，拉伸短驅動線纜S，使得腕臂與地面接觸并向后滾動0102S