仿海蟹机器人足桨耦合运动方法研究及水动力分析
摘要
水下机器人是人们探索海洋的主要工具，以螺旋桨为动力系统的水下机器人最为常
见，但螺旋桨的效率低，噪音大，并且灵活性不高，且不易近底作业。海蟹作为生活在
近海的生物，其同时拥有步行足和游泳足，既可以在水中游动，也可以在水底爬行，同
时也可以在陆上活动，并且海蟹的灵活度高，对环境的适应能力强，符合水下机器人对
于近底精细探测作业和在水下高速灵活运动的要求。
针对仿海蟹机器人的足桨耦合运动方法问题，以海蟹为仿生对象，搭建生物海蟹观
测平台，观察生物海蟹的运动规律，拍摄生物海蟹运动高速视频，利用DLT法捕捉海蟹
足端运动轨迹，以足端轨迹为基础，对海蟹步行足及游泳足进行运动学分析，归纳海蟹
的运动方程。建立海蟹的简化仿真模型，划分计算域网格，利用计算流体力学软件，运
用重叠网格的计算方法，对不同周期组合下海蟹所受的水动力进行仿真。利用多元泰勒
展开的方法，对海蟹所受的水动力与两个周期之间的关系进行数学建模，研究海蟹足桨
耦合的最优配合方法。
以生物海蟹的足端轨迹为基础，将生物海蟹足端轨迹映射至机器人足端，确定仿海
蟹机器人步行足结构和游泳足结构的足端轨迹，对仿海蟹机器人进行运动学分析，运用
D-H法确定机器人的运动学逆解，利用足端轨迹和机器人的运动学逆解，规划仿海蟹机
器人步行足及游泳足的运动方程。建立机器人的仿真模型，划分计算域网格，利用重叠
网格方法对仿海蟹机器人进行水动力仿真计算，对机器人的足桨耦合运动方法问题进行
仿真，分析机器人步行足结构及游泳足结构的受力，归纳得出仿海蟹机器人足桨耦合水
动力方程，分析步行足机构及游泳足机构周期的最佳配合方式。
通过搭建水动力试验平台，对仿海蟹机器人进行单桨拍动试验、拘束模型的足桨耦
合试验，依据采集的数据，对仿海蟹机器人在试验和仿真中得到的足桨耦合水动力方程
进行分析。结合仿海蟹机器人试验和仿真中得到的最佳足桨耦合配合方法，完成仿海蟹
机器人足桨耦合运动水底行走试验。
本研究以海蟹为仿生原型，以海蟹在水底爬行时步行足及游泳足的配合方式为研究
内容，探究其足桨耦合的机理，并应用于仿海蟹机器人上，对提高机器人在近底作业时
的运动能力，增加机器人的灵活性有着重要意义。
关键词：仿海蟹机器人；足桨耦合；运动规划；运动性能
仿海蟹机器人足桨耦合运动方法研究及水动力分析
Abstract
Underwaterrobotsaretheprimarytoolsforexploringtheocean,withpropeller-based
systemsbeingthemostcommon.However,propellershavelowefficiency,generatehighnoise,
lackflexibility,andarenotsuitablefornear-bottomoperations.Asacreaturethatlivesnearthe
sea,crabshavebothwalkingandswimminglegs,allowingthemtomoveinbothwaterandon
land.Theyarehighlyadaptableandflexible,makingthemsuitablemodelsforunderwater
robotsthatrequireprecisedetectionandhigh-speedmovementnearthebottom.
Toaddresstheproblemofleg-paddlecouplingincrab-inspiredrobots,thisstudyuses
crabsasbio-mimeticobjectstoconstructabiologicalcrabobservationplatformtoobservetheir
movementpatternsandcapture