[论文解读] Design, Modeling and Control of A Novel Amphibious Robot with Dual-swing-legs Propulsion Mechanism

Yang Yi, Zhou Geng+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Robotic Locomotion and Control参考文献 20被引用 8

一句话总结

本文提出FroBot，一种受青蛙启发的新型两栖机器人，采用双摆动腿推进机构实现在陆地和水中的运动。其在陆地采用防偏置全向轮推进，在水中则利用柔性尾鳍产生推进力，通过模糊PID控制器实现稳定的速度控制，并在水下实验中成功实现0.4 m/s的前向游泳与机动性能。

ABSTRACT

This paper describes a novel amphibious robot, which adopts a dual-swing-legs propulsion mechanism, proposing a new locomotion mode. The robot is called FroBot, since its structure and locomotion are similar to frogs. Our inspiration comes from the frog scooter and breaststroke. Based on its swing leg mechanism, an unusual universal wheel structure is used to generate propulsion on land, while a pair of flexible caudal fins functions like the foot flippers of a frog to generate similar propulsion underwater. On the basis of the prototype design and the dynamic model of the robot, some locomotion control simulations and experiments were conducted for the purpose of adjusting the parameters that affect the propulsion of the robot. Finally, a series of underwater experiments were performed to verify the design feasibility of FroBot and the rationality of the control algorithm.

研究动机与目标

• 开发一种新型两栖机器人，利用生物启发推进方式实现在陆地和水中的高效运动。
• 解决在单一机器人平台上以最少执行器集成轮式与波动运动模式的挑战。
• 设计一种双摆动腿机构，实现在陆地上的稳定平衡运动与水中的有效推进。
• 通过仿真与陆地及水中的实验测试，验证动态模型与控制策略。
• 通过结合轮式高速与波动鳍推进的优势，提升两栖机器人的运动性能。

提出的方法

• 设计一种受青蛙启发的机器人（FroBot），采用双摆动腿机构，陆地推进使用防偏置全向轮，水下推进使用柔性尾鳍。
• 建立基于摆动腿机构与轮子运动学的陆地前向、后向及爬坡运动的动态模型。
• 实现双闭环控制系统：内环为电机控制的PID回路，外环为速度跟踪与轨迹跟随的模糊PID回路。
• 在陆地轨迹跟随实验中使用线阵CCD传感器实现实时位置反馈。
• 在直径5.5 m、深度1.0 m的水池中进行遥控水下实验，评估鳍基推进与机动性能。
• 通过离线视频分析水下运动，量化速度并评估控制性能，包括直线游泳、下潜及S形路径跟随。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过双摆动腿机构在单一驱动系统下实现陆地与水中的有效且稳定运动？
• RQ2 摆动幅度、频率与轮子配置的最佳组合是什么，以最大化陆地速度与稳定性？
• RQ3 模糊PID控制器是否能有效管理陆地上不同条件下的速度跟踪与轨迹跟随？
• RQ4 柔性尾鳍在两栖机器人中在多大程度上能复现青蛙般的波动推进？
• RQ5 机器人在水下环境中的关键性能指标（如速度、机动性）是什么？与理论预期相比如何？

主要发现

• FroBot在陆地最高时速达1 m/s，水下稳定速度达0.4 m/s，经水下实验离线视频分析确认。
• 模糊PID控制器使机器人在目标速度0.47 m/s范围内（0.40–0.55 m/s）实现速度跟踪，轨迹跟随期间平均速度约为0.47 m/s。
• 机器人在水中成功完成前向游泳、下潜及S形路径跟随，展示了对偏航、俯仰与横滚运动的控制能力。
• 陆地运动的动态模型通过仿真与实验得到验证，确认了摆动幅度与频率对推进力的影响。
• 双摆动腿机构因对称设计，实现了陆地与水下运动中的稳定航向控制与平衡。
• 当坡度超过4度时，机器人性能受限于被动轮结构，表明未来设计需进行机械改进。