机械工程学报

作者：王敏, 孙景健, 丁基恒, 孙翊, 彭艳, 蒲华燕, 罗均, 谢少荣

单位：1. 上海大学机电工程与自动化学院 上海 200444;2. 海洋智能无人系统装备教育部工程技术研究中心 上海 200444;3. 上海大学人工智能研究院 上海 200444;4. 重庆大学机械与运载工程学院 重庆 400044;5. 上海大学计算机工程与科学学院 上海 200444

关键词：水蛇机器人,仿生机理,蜿蜒运动,运动学模型,动力学建模；

基金：国家重点研发计划(2020YFB1313000)和国家自然科学基金(62273220)资助项目。

随着水下环境作业需求不断增大，对机器人在极端环境作业、多任务需求等方面提出了更高的要求。为了解决对水下机器人的环境适应性、机动性等高性能需求，亟需设计一种高灵活性的水下蛇形机器人，并对其结构优化及数学建模进行深入研究。因此，基于对生物蛇的仿生机理分析，设计出了一种模块化、可重构多节仿生水蛇机器人结构模型；基于D-H参数法对空间运动波形上各关节运动轨迹、前进速度进行分析，建立运动映射关系；考虑水下运动产生的水阻力和反作用力，建立水动力学模型，结合拉格朗日方程，联合建立了水蛇机器人的等效运动学及动力学模型。基于建立的联合模型，对影响水蛇机器人关节角运动、前进速度等性能的关键参数进行了详细分析。采用蜿蜒步态作为输入参考信号，利用Matlab与ADAMS进行联合仿真验证，结果表明当步态幅值α取0.8 rad、角频率ω取2 rad/s、相邻关节相位差δ取π/3 rad时，机器人呈现一种理想蜿蜒运动步态；同时，利用ADAMS分析了机器人各关节的驱动力矩和功率，结果表明机器人两端关节到中间关节驱动力矩和功率分别从约0.6 N/m增加到14.3 N/m及1.1 N·m/s增加到14.8 N·m/s；最后，搭建了机器人样机实验，对水蛇机器人蜿蜒运动驱动函数及驱动力矩等进行实验验证，实验结果表明水蛇机器人中间关节所需驱动力矩和功率相较两端关节更大，中间关节驱动力矩为两端关节驱动力矩的3.2倍，与仿真结论一致，为水蛇机器人的水下运动提供了理论依据。

来源：2024年第15期

《机械工程学报》期刊编辑部

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