空间变拓扑六重四面体机器人运动控制技术研究

发布时间：2017-04-13 22:13

  本文关键词：空间变拓扑六重四面体机器人运动控制技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：针对现有移动机器人难以适用于行星表面密布的陨石坑、沟壑及峡谷等极端陆地环境探测的现状,本文主要研究一种具有高机动性、不惧颠覆且环境适应力强的变拓扑六重四面体机器人。该机器人主要是由19根连杆和8个外围节点构成,通过连杆伸缩来改变机器人的构型,进而实现机器人的运动。变拓扑六重四面体机器人是一种具有多移动关节、多节点及多闭链的并联机构,这对运动控制提出了极大的挑战,因此本文主要研究其运动控制涉及的运动学、动力学、步态规划和连杆控制等亟需解决的关键问题。简要分析了变拓扑六重四面体机器人的运动学逆解,然后基于机器人自身的结构特点,将之分为两个并联三角平台式机构,依据并联三角平台式机构的分析方法详细推导了机器人的正运动学封闭解。此外,对机器人进行了一阶运动影响系数及速度分析,得出其雅克比矩阵。为便于对变拓扑六重四面体机器人进行控制,采用拉格朗日动力学建模思想,分别求解机器人连杆和节点的动能、势能及离心力等元素,推导出笛卡尔空间的动力学方程。步态规划是实现变拓扑六重四面体机器人稳定运动的基础。本文提出结合有限状态机和中枢模式发生器进行步态规划的方法,实现机器人的翻滚步态规划。此外,基于重心投影点和支撑多边形的步态规划原则,实现变拓扑六重四面体机器人的行走步态规划。最后,在ADAMS软件中建立变拓扑六重四面体机器人模型,并对两种步态分别进行了运动学仿真验证。结合机器人动力学方程证明了分散自适应控制系统是李雅普诺夫意义下渐近稳定的,通过对简化模型的数值仿真验证了分散自适应控制的收敛性。为避免系统扰动使自适应控制律失效,提出了增益修正的分散自适应控制方法,该方法能提高控制系统的鲁棒性。针对变拓扑六重四面体机器人虚拟样机设计了基于步态规划的轨迹跟踪控制系统,通过Matlab和ADAMS联合仿真的方法搭建机器人控制系统,仿真结果验证了控制系统的正确性和稳定性。
【关键词】：变拓扑机构 运动学分析 动力学分析 有限状态机 步态规划 分散自适应控制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 注释表11-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.3 相关研究基础17-20
• 1.3.1 步态规划方法17-18
• 1.3.2 机器人控制方法18-20
• 1.4 论文主要工作及安排20-21
• 第二章 变拓扑六重四面体机器人运动学分析21-30
• 2.1 机器人位置反解21-22
• 2.2 机器人位置正解22-27
• 2.3 机器人速度分析27-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 变拓扑六重四面体机器人动力学分析30-35
• 3.1 节点动能和势能求解30-32
• 3.2 连杆动能与势能求解32-33
• 3.3 拉格朗日动力学方程33-34
• 3.4 本章小结34-35
• 第四章 变拓扑六重四面体机器人步态规划35-52
• 4.1 建立有限状态机35-36
• 4.2 重心投影点和支撑多边形36-37
• 4.3 翻滚步态规划与仿真37-45
• 4.3.1 翻滚步态规划37-40
• 4.3.2 环状CPG网络40-43
• 4.3.3 翻滚步态仿真验证43-45
• 4.4 行走步态规划与仿真45-51
• 4.4.1 行走步态规划45-49
• 4.4.2 行走步态仿真验证49-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第五章 变拓扑六重四面体机器人控制系统设计52-70
• 5.1 机器人分散自适应控制算法52-61
• 5.1.1 分散自适应控制器设计52-58
• 5.1.2 数值仿真分析58-61
• 5.2 增益修正的分散自适应控制算法61-66
• 5.2.1 耦合项的约束61-62
• 5.2.2 修正自适应控制器设计62-63
• 5.2.3 数值仿真分析63-66
• 5.3 ADAMS+MATLAB联合控制系统设计及仿真66-69
• 5.3.1 机器人控制系统实现方案66-67
• 5.3.2 机器人控制系统仿真67-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 6.1 全文总结70
• 6.2 课题展望70-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文77

  本文关键词：空间变拓扑六重四面体机器人运动控制技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：304590