仿生蛇形机器人的导航与控制

发布时间：2020-06-07 23:43

【摘要】：过去的数十年中,蛇形机器人领域在软硬件设计上得到长足发展,使其外形更趋于生物特点,使更多生物蛇运动步态在其平台上得到实现。但蛇形机器人作为一种仿生机器人,其某种工程应用的实现依托于多功能模块的实现与配合,因此蛇形机器人的工程应用仍寥寥无几。因而本文设计并实现了一套具有轨迹跟踪,管道穿行功能及自探索功能的蛇形爬行机器人系统。此外,自探索系统的功能为当蛇形机器人进入某未知环境时,其可自规划确定探索目标并到达该目标点,并其循环该过程以致整个环境被探索同时构绘一张环境地图,因而探索目标的决策算法优劣将大大影响探索系统的探索效率,本文提出一种新的决策算法用以提高系统探索效率。最终,本文通过实验验证了所设计蛇形机器人系统的有效性,同时通过与决策算法领域的代表算法进行比较实验,验证本文决策算法使探索系统具有更高的探索效率。本文主要围绕蛇形机器人的导航与控制展开研究。本文既借鉴生物运动驱动模式领域的研究成果,又参考自探索算法的算法机制,结合无模型模糊逻辑控制器,设计并实现蛇形机器人自探索任务。本文的主要研究内容包括:第一,设计蛇形机器人蜿蜒模态发生器。蛇形机器人仿照生物蛇类运动时模态,蛇类通过全身肌肉组织节律性伸缩变换才可产生运动状态。因而第一步工作需要借鉴、参考蛇类运动物理学及动力学原理,从而选择元器件搭建蛇形机器人平台。此外,蜿蜒运动是蛇类运动最为主要的方式,这一部分工作需要设计运动模态发生器以在蛇形机器人上实现蜿蜒运动,同时分析其参数与蛇形机器人运动状态之间的潜在联系,得到可控制蛇形机器人运动线速度与运动方向的控制量。该部分工作为随后控制系统设计提供参考控制量与底层运动驱动。第二,蛇形机器人的轨迹跟踪控制系统。该系统的功能为:蛇形机器人可以从环境中某起始点出发,逐渐向期望路径逼近并最终跟随期望路径至路径终点附近。第一部分工作已可对蛇形机器人运动方向与运动速度进行开环控制。因而本部分工作着重于根据蛇形机器人平台与所选模态发生器设计适宜控制器以及集成所设计控制器、平台式位姿反馈模块以及模态发生器完成轨迹跟踪控制系统。第三,蛇形机器人的穿行运动控制系统。该部分工作为设计一个控制系统使蛇形机器人可以从某管道入口出发,不断自主进行运动路线规划与跟随设计路径直至通过目标未知管道。从仿生的角度出发,生物的定位多选用捷联传感器定位而非平台式传感器。因此本部分工作在轨迹跟踪控制系统的基础上,首先根据蛇形机器人特点选择可以实现自定位的捷联传感器和定位算法来代替轨迹跟踪系统的平台式定位模块,随后选择一种合适的路径规划器算法用以生成期望路径。因而,若在确定目标点(每次路径规划时将可视范围内最远点视作目标点)的情况下,穿行运动控制系统可使蛇形机器人在某探明区域内由某起点达到设定目标点附近,确保随后设计探索任务中,蛇形机器人在确定探索目标点后可到达该点附近。第四,蛇形机器人探索系统,即蛇形机器人由外界进入待探测区域,自我规划探索目标并依托穿行控制系统逼近已规划目标,同时构建环境地图,直至未知环境被完全探明。本部分工作的贡献点一在于为蛇形机器人设计更为高效的探索目标点决策机制以缩短未知环境探索时耗,贡献点二在于集成实现了一个完整的探索系统,包括穿行控制系统的所有模块与一个目标点决策模块。综上所述,本文设计的蛇形机器人自探索功能在蛇形机器人工程系统集成方面进行了大量的探索,并为蛇形机器人的工程应用提供了一种方式。
【图文】：

模态图,模态,实验生物学,生物学

逡逑在生物学中，早于１９４６年，，英国动物学家ＧｒａｙＪ发表于实验生物学期刊的逡逑文章中将自然界蛇类的运动划分为四种基本运动模态［１］，如图１．１。逡逑（ａ）

蛇形机器人

浙江大学硕士学位论文逦＾逡逑此后该实验室研发的ＡＣＭ邋Ｒ５邋（如图１．２）是一种具有三维运动能力的水陆两逡逑栖蛇形机器人，其每个运动单元具有俯仰和偏航两个自由度，操纵者可通过远程逡逑控制器遥控该机器人于陆地或水中运动。ＡＣＭ－Ｒ５［６＿７］机器人在陆地环境实现的运逡逑动模态有蜿蜒运动，侧向翻滚运动和侧向蜿蜒运动，在水中实现的步态有蜿蜒运逡逑动，其余模态还未进行系统研究。逡逑ＯｍｎｉＴｒｅａｄ气动蛇形机器人由密歇根大学于２００４－２００５年研发完成［８］，其设逡逑计初衷在于将蛇形机器人应用于多障碍物的复杂环境中。该机器人运动单元（如逡逑图１．３）间通过驱动轴连接，连接处的风管装置通过反复的充气、放气循环动作逡逑促使该节做出各种不同的动作。因此机器人可以通过协调全身所有关节的运动实逡逑现整体的运动步态，如翻滚、蠕动等。此外，ＯｒａｎｉＴｒｅａｄ还装配有履带驱动设备，逡逑因而可保证其运动模态在粗糙平面上柔顺度。逡逑ｍ逡逑图１．３气动蛇形机器人逡逑卡耐基梅隆大学研发的蛇形机器人Ｕｎｃｌｅ邋Ｓａｍ邋（如图１．４）具有紧凑的机械逡逑结构，由许多正交关节组成，可以在三维空间内实现蜿蜒、滚动和扭曲［９］，还能逡逑通过缠绕柱体实现垂直攀爬运动。逡逑图邋１．邋４邋Ｕｎｃｌｅ邋Ｓａｍ逡逑５逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

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