基于章鱼仿生的柔性臂建模与控制

发布时间：2017-09-05 07:30

  本文关键词：基于章鱼仿生的柔性臂建模与控制

  更多相关文章： 软体机器人 章鱼臂 Cosserat梁 角度控制 强化学习

【摘要】：目前,传统机器人已经广泛应用于侦查、探测、救援、医疗等领域,其建模方式、驱动及控制方法等研究都已趋于成熟,但因其刚性结构、有限的自由度和操作空间使得传统机器人在某些领域的应用受到限制。软体机器人在传统刚性机器人愈来愈不能满足人类发展探索的需求时应运而生,弥补了刚性机器人的某些不足。而正是由于软体机器人的多自由度和柔性材质,使其建模方式和控制方法成为一项挑战。对于软体机器人研究,研究人员启发于自然界软体动物,开辟了软体仿生机器人新领域,其中章鱼因其特殊结构和灵巧的抓取能力成为典型代表。本文针对章鱼柔性臂的建模方式、角度控制和动态运动进行研究,设计并实现了三维手臂角度控制以及获取目标的动态过程。第一部分利用Cosserat理论建立线驱动型章鱼柔性臂数学模型,通过模拟手臂中线实现弯曲、扭转等运动。首先依据Cosserat梁理论建立粒子的空间坐标系,在此基础上分析线缆受力情况并建立精确的几何模型,求解其运动学和动力学方程;然后根据线缆的放置位置和等效受力情况,设计每段线缆期望弯曲的张力分配值,利用MATLAB实现手臂在三维稳态条件下的期望角度输出;最后通过分析理论角度和实际角度输出的相关性,在一定程度上验证该控制方法的准确性。第二部分在线驱动型章鱼柔性臂的数学模型和控制方法的基础上,实现手臂按照期望曲线输出。首先对输入曲线进行灰度化和二值化处理,去除图片上输入曲线以外的干扰;然后利用MATLAB读入曲线并进行斜率分析,计算转化为角度控制的张力值,输出相应角度的章鱼臂姿势;最终利用相关性分析验证输入曲线和输出章鱼臂曲线之间的准确度。第三部分,在完成了章鱼臂的静态角度控制后,利用强化学习的方法实现手臂动态运动。通过GPTD算法实现动作连续变化,运用贪婪算法实现寻找目标的过程,仿真章鱼臂从不同初始位置对目标和障碍物的动态反应过程。整个动态过程显示当章鱼臂接触到障碍物时退出训练过程,接触到目标时完成手臂弯曲围绕的动作。
【关键词】：软体机器人 章鱼臂 Cosserat梁 角度控制 强化学习
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 章鱼臂机器人的研究现状11-17
• 1.2.1 生物结构11-12
• 1.2.2 建模方式12-13
• 1.2.3 驱动方式13-16
• 1.2.4 控制方式16-17
• 1.3 论文的研究内容和章节安排17-19
• 第二章 线驱动型章鱼臂的弯曲角度控制19-34
• 2.1 微梁理论19-22
• 2.1.1 Cosserat理论19-20
• 2.1.2 Cosserat梁的运动学方程20-21
• 2.1.3 Cosserat梁的静力学方程21-22
• 2.2 手臂内嵌线缆配置22
• 2.3 手臂动态模型的建立22-25
• 2.3.1 章鱼臂运动学模型23
• 2.3.2 章鱼臂动力学模型23-25
• 2.4 手臂弯曲角度控制25-30
• 2.4.1 微分方程计算方法25-26
• 2.4.2 章鱼臂弯曲角度控制算法26-29
• 2.4.3 手臂角度控制算法验证29-30
• 2.5 章鱼臂角度控制仿真结果30-33
• 2.5.1 手臂第一段弯曲角度控制30-32
• 2.5.2 完整手臂弯曲角度控制32-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第三章 线驱动型章鱼臂的期望姿势仿真34-48
• 3.1 期望曲线的图像处理34-37
• 3.1.1 图片的灰度化处理34-35
• 3.1.2 二值化图像处理35-37
• 3.2 章鱼臂姿势的角度获取37-40
• 3.2.1 章鱼臂图片曲线读取37-38
• 3.2.2 章鱼臂曲线斜率读取38-40
• 3.3 章鱼臂斜率优化40-41
• 3.4 章鱼臂结果优化分析41-47
• 3.4.1 相关性分析理论42-43
• 3.4.2 不同形状章鱼臂的修正结果分析43-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第四章 基于强化学习算法的章鱼臂动态仿真48-61
• 4.1 二维多段章鱼臂模型48-50
• 4.2 在线GPTD算法50-52
• 4.2.1 强化学习原理50-51
• 4.2.2 TD算法51
• 4.2.3 GPTD算法51
• 4.2.4 在线稀疏化51-52
• 4.3 学习算法程序设计52-53
• 4.4 GPTD算法参数设置53-57
• 4.5 强化学习结果57-60
• 4.5.1 章鱼臂运动轨迹57-58
• 4.5.2 章鱼臂动态获取目标58-60
• 4.6 本章小结60-61
• 第五章 总结与展望61-63
• 5.1 研究总结61
• 5.2 后续展望61-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 附录68

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本文编号：796648