【摘 要】
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随着科技的进步与社会的发展,对于海洋能源的开发逐步受到世人的关注。然而,由于水下环境的复杂性和不确定性,水下探测和操作难度大,成本高,而且很多时候需要潜水员进行水下操作,具有很高的风险。作为仿生机器人,蛇机器人具有很高的灵活性,可以在狭窄的空间或复杂的工作条件下进行检测和操作。蛇形机器人具有的问题是模型复杂,难以控制,特别是在水下环境中,各种流体力和难以预测的因素增加了水下蛇形机器人,在动力学方程
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随着科技的进步与社会的发展,对于海洋能源的开发逐步受到世人的关注。然而,由于水下环境的复杂性和不确定性,水下探测和操作难度大,成本高,而且很多时候需要潜水员进行水下操作,具有很高的风险。作为仿生机器人,蛇机器人具有很高的灵活性,可以在狭窄的空间或复杂的工作条件下进行检测和操作。蛇形机器人具有的问题是模型复杂,难以控制,特别是在水下环境中,各种流体力和难以预测的因素增加了水下蛇形机器人,在动力学方程的建立和控制系统设计时的困难。为了使水下蛇形机器人在水下有效完成任务,需要建立正确有效的水下蛇形机器人在三维空间中的动力学模型,以及设计相应快速、稳定的控制器。本文的研究内容如下:（1）通过对水下蛇形机器人的驱动系统采用模块化设计,将其分成含有矢量推进器的主推进系统、提供横纵向推力的辅助推进系统和含有正交关节的连接系统。通过对水下蛇形机器人的各驱动进行分配布置,实现水下蛇形机器人过驱动系统。随后对主推进系统中的矢量推进器进行结构设计,包括采用软轴作为主传动轴的螺旋桨的设计,电机的匹配与选型,齿轮设计以及密封方式的选择。（2）对水下蛇形机器人进行包含有运动学方程、水动力方程以及动力学方程的数学模型的建立。根据D-H坐标法列水下蛇形机器人的在三维空间中的运动学方程,根据Morrison公式列写蛇形机器人在水下航行时的水动力模型,最终根据牛顿-欧拉公式列写蛇形机器人在水下三维空间运动的动力学方程,并将建立好的动力学方程在Matlab中仿真,通过分析仿真结果,证明了水下蛇形机器人动力学模型的正确性。（3）根据所建立的模型构建RBF神经网络变结构控制器,并设定一条期望的蛇形机器人运动轨迹,根据所建立的运动学方程,解算蛇形机器人每一节的质心运期望跟踪的轨迹与关节角度期望的变化曲线。根据所构建的控制器在Matlab与Simulink中搭建仿真平台,并通过所设计的控制器对水下蛇形机器人在其中进行轨迹跟踪仿真,结果收敛到期望的轨迹,证明了所设计控制器的稳定性与有效性。
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