基于章鱼仿生的双足水下行走软体机器人

xxxxxx：xxx基于章鱼仿生的双足水下行走软体机器人xxxxxxxxx目录CONTENTS++椰子章鱼双足行走分析01双线驱动的章鱼臂的设计02章鱼机器人硬件结构设计03周期控制双足行走原理04课题研究背景"十四五"规划指出，深海探索、海洋资源开发利用等已逐步成为新兴的核心领域，关注深海、聚焦海洋资源已经上升至国家战略层面，因此水下机器人的研究也刻不容缓了本文借助于椰子章鱼具有利用腕臂"行走"的能力，相较于其他与地面接触的移动方式，这种方式速度较快且对水下环境非常友好运动过程中，"2足"和"6手"的分工，使其在趋利避害和捕食方面比其他头足类生物更灵活，行走速度高达14cm/s因此，开发基于章鱼仿生的水下双足行走软体机器人，有助于揭示章鱼的双足行走原理及进化机理，对了解章鱼进化、开发新型人工智能技术具有重要科学意义新建MicrosoftWord文档国内外现状新建MicrosoftWord文档水下软体机器人是以水下软体无脊椎生物为原型，软体机器人的躯体主要是由可以承受较大形变的硅橡胶等弹性材料构成，杨氏模量均小于10Mpa，自由度极高许多科研人员受启发于一些海洋无脊椎生物的外形结构特征和运动机理，设计制造出了不同种类的水下仿生软体机器人系统哈佛大学RobertWood团队研发设计的octopus小章鱼，如图(左)所示，该机器人结合了软体3D打印、化学反应功能、流体驱动等多项技术，是世界上第一个纯软体机器人英国伦敦大学机器人学JanFras等人同样创造出了一款全软体的章鱼机器人，如图(右)所示，通过流体驱动原理实现运动新建MicrosoftWord文档北航、国防科大、中科院自动化所、哈工大、浙大、上交大等机构，在机器鱼、仿生牛鼻鲼、蝠鲼等在仿生机构、推进效率、控制等方面取得较大进展典型代表有以水下游动为主的浙江大学与之江实验室联合开发的仿生蝠鲼机器人，如图所示，创下了潜游马里亚纳海沟水下万米的记录，以及中国科学院、北京大学为代表的尾鳍推进和波动鳍推进仿生机器鱼和仿生海豚,哈工大研发的仿生墨鱼、中国科学技术大学张世武等开发的仿生两栖软体机器人、西北工业大学的仿生蝠鲼、北航文力的仿生鮣鱼等新建MicrosoftWord文档运动模型建立13.1双足行走分析3.1双足行走分析椰子章鱼双足运动情况如图所示，整个运动过程中至少有一只触手与地面保持接触，另外六只触手会保持不同程度的弯曲并且在身体周围环绕将章鱼行走时单个触手的运动周期分为四个阶段：1)触手抬起，向运动方向弯曲2)触手与地面接触，保持自身的稳定3.1双足行走分析3)触手近端向后方弯曲使触手前端与地面滚动接触，推动身体向前运动4)抬升触手并离开地面23.2双线驱动的章鱼臂的设计3.2双线驱动的章鱼臂的设计仿生章鱼臂整体结构主要分为两段，如图所示，能够实现不同程度的弯曲其中，第一段弯曲模仿章鱼腕臂向运动方向抬腿弯曲离开地面的动作，第二段弯曲模仿章鱼腕臂的近端肌肉，能够带动触手远端与水底环境滚动接触两根长短不同的驱动线缆被分别嵌入其内部通过拉伸驱动线缆来模拟章鱼腕臂纵向肌肉收缩舒张的能力拉伸长驱动线缆L可以控制整条腕臂的弯曲，拉伸短驱动线缆S可以控制近端手臂的弯曲33.3硬件结构设计3.3硬件结构设计1)伺服电机，选用JX6221型防水舵机，最大转角180°，转速0.12sec/60°，最大扭力为32.3kg.cm2)收线盘，用于配合舵机拉伸两根驱动线缆，收线盘A直径为4mm，收线盘B直径为5mm3)亚克力板材质的支撑平台，不仅能够固定舵机和收线盘的位置，而且可以向下连接仿生章鱼臂3.3硬件结构设计电控系统由PC和WTServo16控制板组成根据本章2.2.1中椰子章鱼双足行走步态信息可以看出，在双足行走动作时两条触手分别以不同相位进行运动，本文中将每条章鱼腕臂的运动看作是周期性运动整个过程中至少有一条章鱼腕臂保持与地面接触，从运动学角度分析，这种移动方式可被认定为行走43.4双足周期控制行走原理3.4双足周期控制行走原理在双足行走动作时两条触手分别以不同相位进行运动，本文中将每条章鱼腕臂的运动看作是周期性运动整个过程中至少有一条章鱼腕臂保持与地面接触，从运动学角度分析，这种移动方式可被认定为行走单条仿生章鱼臂的软件控制流程如图2.8所示，其中count为动作周期计数器，在机器人执行完一个周期的动作后加1，num表示仿生章鱼机器人需要执行行走动作的周期数为控制动作周期，在两个动作指令间加入Delay函数驱动线缆的拉伸、释放和维持三个动作，分别由舵机的正转、反转和静止来具体实现当count≤num时，机器人周期性的完成各个阶段的动作3.4双足周期控制行走原理05Step.05当count>num时，机器人停止运行04Step.04动作C：拉伸长驱动线缆L，保持短驱动线缆S为上一阶段状态，使得章鱼腕臂离开地面03Step.03动作B：释放长驱动线缆L，拉伸短驱动线缆S，使得腕臂与地面接触并向后滚动0102S