模块化仿蛇机器人建模与自主运动控制研究

发布时间:2022-01-15 19:29
  模块化仿蛇机器人多关节、超冗余自由度的特性使其能够根据环境变化灵活改变相应运动形式,具有极强的地形适应能力。将此类机器人应用于灾害搜救、军事侦察、管道巡检等领域,将极大提高机器人在以上复杂、受限、非结构环境中的工作效率。目前国内外对仿蛇机器人的研究主要停留在对生物蛇身体结构以及少数几种蛇类运动步态的模仿,机构设计的局限与运动控制方法研究的不完善使其环境适应能力与运动效率难以提高。因此,本文重点研究针对模块化仿蛇机器人的建模与运动控制方法,以期改善仿蛇机器人的运动性能与智能化程度。本文的主要研究内容包括:1、基于旋量理论的仿蛇机器人运动学与动力学建模。在对生物蛇运动机理分析的基础上,研究模块化仿生并联关节机构设计。基于旋量理论分析仿生并联关节运动性能,确定机构约束条件与自由度。运用辅助旋量与李代数,研究并联关节速度与加速度求解方法。运用等效机构法结合完整约束,研究蜿蜒步态下仿蛇机器人各关节运动状态与整体位姿之间的关系,建立相应运动学模型。通过建立仿蛇机器人的力与力矩平衡方程,研究其关节驱动力矩与运动状态之间的关系,建立对应动力学模型,为路径跟踪控制提供理论支撑;2、基于近似动态规划的仿蛇... 

【文章来源】:北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】:136 页

【学位级别】:博士

【部分图文】:

模块化仿蛇机器人建模与自主运动控制研究


图1-1仿蛇机器人Mamba

机器人


?北京化工大学博士学位论文???UHHi??(a)?(b)??图1-2仿蛇机器人ACM-R4.1。(a)整体机构设计,(b)单个模块设计??Fig.?1?-2?Snake?robot?ACM-R4.1.?(a)?Main?body?design,?(b)?Single?module?design??Luo等设计出一种具有双向弯曲能力的流体弹性驱动器,并将其应用在仿蛇机??器人的驱动上,如图1-3。该弹性驱动器操作稳定性好,在较高压力输入时能保证驱??动器的安全性且响应灵敏,特别适用于仿蛇机器人蜿蜒运动步态。Marchese等[18]提出??一种柔性连续体仿蛇机器人,如图1-3所示。与刚性结构相比,这种柔性结构提升了??机构的自由度与柔顺运动性能,在受限环境中能够完成更加复杂多样化的任务。同时,??由于其内在结构使用的是柔性材料,使得该机器人能够在作业过程中不对周围环境或??自身造成损伤。??MMI?i??(a)??4??

机器人


?第1章绪论???(b)??图1-3气动仿蛇机器人。(a)使用弹性驱动器的仿蛇机器人,(b)柔性连续体仿蛇机器人??Fig.1-3?Pneumatic?Snake?robots,?(a)?Fluidic?Elastomer?Actuators?for?snake?robots,?(b)?Soft?continuum??snake?robot??Li等M基于协同进化框架,提出了一种具有自重构功能的仿蛇机器人Sambot。??如图丨-4所示,该机器人由多个独立的模块化机器人组合而成,各个机器人能够进行??单独控制,通过调整多个模块化机器人的组合方式,改变其整体构造以适应多种不同??地形。Ito等[2ffl提出一种能够在搜救任务中半自主工作的仿蛇机器人,如图1-5所示。??通过将多个具有履带结构的模块相互连接,使得该机器人具有跨越楼梯、沟壑等障碍??物的能力。同时,其相对较窄的身体结构使得其能够自如进出狭窄空间。??:f{^"''?通??iii?I?B:??zPiBI?Bs:??mm?j??(a)?(b)??图1-4仿蛇机器人Sambot。(a)绳式形态,(b)轮式形态??Fig.?1-4?Snake?robot?Sambot.?(a)?Rope?form,?(b)?Wheel?form??5??

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本文编号:3591193

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