机器人智能技术已经是当今世界人类社会最具革命意义的发明创新之一，自从机器人技术问世以来，该项智能技术已经经过了长达几十多年的迅猛发展和创新，同时也已经取得了十分巨大的历史性突破和革命性进步。首先，机器人智能技术前所未有的革新以及广泛应用非常有益于对智能行业的充分推动和飞速发展；其次，机器人产业在自动化相关生产中占据重要的地位，它将会极大的促进工业和制造业从落后的人力密集型向先进的自动化生产转型，从而提高社会生产效率；最后，机器人产业还能够有效的弥补正在被逐步淘汰的高污染和高能耗产业带来的财政冲击影响[1]。 众所周知，海洋环境总共占地球表面积的 71%，它是各国军事备战的核心战略中心以及必争的主战场，同时海洋中也具有十分富饶的资源。来到崭新的 21 世纪，人类社会将会面临人口发展，资源匮乏，环境污染等一系列不可避免的严峻挑战，人类社会只有充分有效的合理利用和开采挖掘海洋环境资源，才能维持人类自身的长期健康可持续发展，这是迫在眉睫的抉择。而且海洋资源的合理利用和有效开发尤其对人均资源十分缺乏的我国来讲，具有非常特殊的重大意义。 因此，水下机器人将会在海洋环境的监测、勘察以及研究中发挥极其重要的辅助作用。同时水下机器人也在不断的扩大和突破自身的应用领域，在当今世界上，水下机器人也将成为未来水下环境中十分重要的军事设备之一[2]。
1.1 两栖机器人的研究背景和意义
机器人自诞生以来到现在已经发生了飞快的发展，在很多领域中已经取代了人类的工作。水下机器人作为未来战争军事装备系统的重要组成部分，它能够以水面航行器作为自己的战斗基地，在数百里的水下空间中顺利并有效完成作战任务，提升机器人在水下环境中的作战区域。尤其是新兴的自主航行水下机器人，它们能够更可靠安全地潜入敌方控制的危险区域，然后以自主的方式在战区停留充足的时间，是一种效果非常显著的兵力倍增器。 更为重要的是，在未来的战争中，“以网络为中心”的战斗思想将替代“以平台为中心”的战斗思想，而水下机器人将作为网络中心站的重要节点，在未来战争中发挥越来越重要的关键作用。目前水下机器人在各国的研究应用范围非常广泛，它可以用来检测环境，开发资源，实施救援，维护设备，获取情报，分析数据等等。因此，大力发展两栖机器人，对于提高国家的先进生产水平、开发丰富海洋资源和维护国家海洋权益，将发挥巨大的关键作用[3]。
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1.2 两栖机器人稳定性分析的国内外研究现状
传感器技术、自主控制、导航定位、互联网技术的不断创新完善和飞速发展促进两栖机器人在续航时间，环境适应性，人机交互，机动灵活性，运动速度等方面的性能持续不断的得到大幅度提高。 两栖机器人自从新世纪诞生之际，就开始不断地伴随着人类社会开发保护海洋的进程而获得了飞速的突破和发展。有些区域和深度普通机器人比较难以达到执行工作任务，所以，两栖机器人适时而生，它的出现将会使海洋开发慢慢进入一个全新的时代，在人类社会争相恐后向海洋开发进军的 21 世纪，随着人类社会的飞速发展，两栖机器人的研究开发技术将会慢慢成为人类开发和探索海洋资源的越来越依赖的手段，因此，两栖机器人的研究也必定将会得到前所未有的高度重视以及充足的发展。两栖机器人的控制和行为具有高度智能化以及自主化的特点。进入 20 世纪中后期，水下机器人技术已经得到了高速发展，并且在极速更新换代的同时，也越来越成熟可靠。经过多年的飞速发展，两栖机器人主要应用在导航定位、自动驾驶、测量设备和能源、自诊断和故障处理等方面，具有隐蔽性好，机动灵活，活动范围较大的特点，而且结构比较简单、尺寸较小、造价低，被广泛地应用于民用和军事领域。
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第二章 球形两栖机器人的机械结构设计
本章主要详细地介绍了球形两栖机器人的机械结构设计方面的相关内容。该机器人不仅能够在陆地上实现行走功能，而且还能够在水下环境中实现上浮、下潜、前进、后退、自转以及转弯等不同的运动姿态。同时本章还阐述了该机器人的主要零部件的组成以及在驱动装置中的各部件的选型等。
2.1 球形两栖机器人的整体机械结构设计
本论文研究的球形两栖机器人的实物图如图 2-1 所示，该机器人主要由上下两个部分组装而成。该球形两栖机器人的上半部分主要包括圆板、防水球壳、AVR Atmega2560控制器、电源模块、驱动器模块以及稳压模块等部分。同时将这些硬件模块依次按顺序分别安放于圆板和防水球壳之间的中心位置，首先将供电电源模块固定安置在圆板上方，然后在它的上方安装 AVR 控制器，最后将稳压模块以及四个驱动单元对称安放在它的四周。在依次完成上述内部硬件模块的安装固定之后，再将圆板与防水球壳固定连接好，同时在它们的连接处使用热熔胶进行充分的密封，进行机器人的防水处理。 该球形两栖机器人采用完全对称的方式进行安装固定，只有这样才能有利于实现球形两栖机器人整体的平衡状态，而且这样也有利于对机器人整体的良好控制，实现机器人的稳定性。球形两栖机器人的下半部分主要由四个仿生物的驱动腿单元组成，该驱动腿单元的机械结构设计如图 2-2 所示，该机器人利用铜柱将驱动腿单元对称的安装在机器人圆板的下方。其中每个驱动器由一个喷水推进器和两个伺服电机组成，两个伺服电机的舵盘分别与 I 型支架和 U 型支架相连接，水平方向的伺服电机与 I 型支架进行连接，而竖直方向的伺服电机首先通过固体胶水和喷水推进器进行连接，然后再将它的舵盘与 U 型支架连接固定在一起。最后将两种支架连接固定在一起。之后将每个电机的电源线分别通过圆板上的密封圆口和上半防水球壳内的 AVR 控制器进行连接，同时机器人的控制器通过调节 PWM 信号，实现喷水推进器和伺服电机的不同运转情况，进而通过调节喷水推进器两端电压的大小以及方向，可以将喷水推进器的喷水量大小以及喷水方向进行相应的调节改变。同理，也可以调节改变伺服电机的偏转方向以及角度。
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2.2 球形两栖机器人的核心结构部件
本论文介绍的球形两栖机器人的控制器 AVR 可以输出多路 PWM 控制信号，可以控制四个喷水电机以及八个伺服电机，通过控制八个伺服电机可以调节改变机器人驱动腿单元的步幅和步频，进而可以调节改变球形两栖机器人的运行速度和运行姿态，通过调节改变机器人四个喷水电机的喷水量大小以及喷水方向，进而可以调节改变机器人在水下环境中的运行速度和运行方向。球形两栖机器人防水球壳的实物图如图 2-3 所示。该球壳的直径约为 250mm，厚度达到 7mm，重量是 300 克，它采用有防水功能的亚克力材料加工而成，这样可以使得球壳具有非常好的强度和硬度，同时还具有良好的防摔和抗压功能。该防水球壳与圆板进行连接固定，同时使用密封圈密封，之后使用热熔胶加强机器人的防水效果。
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第三章 球形两栖机器人的控制系统 ........ 18
3.1 控制系统的整体结构框图 ...... 18
3.2 控制系统硬件单元 ..... 19
3.3 稳定性控制理论 ....... 22
3.4 稳定性控制器设计 ..... 24
3.5 仿真实验与分析 ....... 26
3.6 机器人运动稳定性理论分析 .... 27
3.7 本章小结 ...... 29
第四章 球形两栖机器人的陆地稳定性分析 .......... 30
4.1 流固耦合力学分析理论 ........ 30
4.2 流固耦合分析 ......... 31
4.3 求解计算 ...... 32
4.4 求解结果 ...... 33
4.5 球形两栖机器人的陆地稳定性实验 ..... 35
4.6 本章小结 ...... 38
第五章 球形两栖机器人水下稳定性分析 ..... 39
5.1 流体力学分析简介 ..... 39
5.2 水下仿真前处理 ....... 40
5.3 水下仿真求解计算 ..... 44
5.4 水下仿真后处理 ....... 46
5.5 球形两栖机器人水下稳定性实验 ....... 49
5.6 球形两栖机器人沿直线运动稳定性实验 ........ 50
5.7 球形两栖机器人运动轨迹跟踪实验 ..... 51
5.8 本章小结 ...... 52
第五章 球形两栖机器人水下稳定性分析
本章首先介绍了大型通用有限元分析软件 ANSYS 中的流体力学单元 Fluent。简要介绍了流体力学分析理论，然后绘制了球形两栖机器人的简化模型，对喷水推进器进行了流体力学分析。最后对球形两栖机器人以及周围水域进行了网格划分，施加相应的约束，得到球形两栖机器人在水下的压力云图和速度矢量图，同时分析了仿真结果。之后进行了机器人水下稳定性实验，分析了实验结果。
5.1 流体力学分析简介
ANSYS 软件是美国 ANSYS 公司研发的一种大型通用有限元分析软件，它能与多种计算机设计软件接口，充分实现信息数据的交换，如 Auto CAD，I-DEAS, NASTRAN，Creo 等。在日用家电、水利设施、地矿开采、轻工纺织、生物医学、造船工艺、电子科学、军事装备、交通运输、能源保护、航空航天、铁道、核工业等领域都有着非常广泛的应用。ANSYS 的功能十分强大，而且易于操作，现在已经逐步成为最常用的有限元分析软件之一[40]。 而 ANSYS 中的流体力学分析单元 Fluen
