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】：
图１－１仿蛇机器人Ｍａｍｂａ
?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??
?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??
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向灾难搜索救援场景的空地协同无人群体任务规划研究[J]. 李明龙,杨文婧,易晓东,王彦臻,王戟. 机械工程学报. 2019(11)
[2]人工智能、机器人与经济发展研究进展综述[J]. 刘涛雄,刘骏. 经济社会体制比较. 2018(06)
[3]多足步行机器人液压控制系统研究现状与发展趋势[J]. 翟硕,虞拯,金波. 机器人. 2018(06)
[4]食品机器人末端执行器研究现状与展望[J]. 张秋菊,张进,孙沂琳. 机械设计与制造工程. 2018(05)
[5]机器人技术的发展[J]. 王天然. 机器人. 2017(04)
[6]智能制造与机器人应用关键技术与发展趋势[J]. 谭建荣. 机器人技术与应用. 2017(03)
[7]基于变形履带的搜救侦察机器人设计与试验[J]. 边浩然,资新运,王洪涛,唐粤清,曾繁琦. 兵器装备工程学报. 2017(03)
[8]工业机器人开放式控制系统研究综述[J]. 吕冬冬,郑松. 电气自动化. 2017(01)
[9]Modeling and optimal torque control of a snake-like robot based on the fiber bundle theory[J]. GUO Xian,MA ShuGen,LI Bin,WANG MingHui,WANG YueChao. Science China（Information Sciences）. 2015(03)
[10]中国蛇类的物种多样性及保护现状[J]. 刘鹏,陈辉,赵文阁,贾竞波. 野生动物. 2009(01)
本文编号：3591193
【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】：
图１－１仿蛇机器人Ｍａｍｂａ
?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??
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【参考文献】：
期刊论文
[1]面向灾难搜索救援场景的空地协同无人群体任务规划研究[J]. 李明龙,杨文婧,易晓东,王彦臻,王戟. 机械工程学报. 2019(11)
[2]人工智能、机器人与经济发展研究进展综述[J]. 刘涛雄,刘骏. 经济社会体制比较. 2018(06)
[3]多足步行机器人液压控制系统研究现状与发展趋势[J]. 翟硕,虞拯,金波. 机器人. 2018(06)
[4]食品机器人末端执行器研究现状与展望[J]. 张秋菊,张进,孙沂琳. 机械设计与制造工程. 2018(05)
[5]机器人技术的发展[J]. 王天然. 机器人. 2017(04)
[6]智能制造与机器人应用关键技术与发展趋势[J]. 谭建荣. 机器人技术与应用. 2017(03)
[7]基于变形履带的搜救侦察机器人设计与试验[J]. 边浩然,资新运,王洪涛,唐粤清,曾繁琦. 兵器装备工程学报. 2017(03)
[8]工业机器人开放式控制系统研究综述[J]. 吕冬冬,郑松. 电气自动化. 2017(01)
[9]Modeling and optimal torque control of a snake-like robot based on the fiber bundle theory[J]. GUO Xian,MA ShuGen,LI Bin,WANG MingHui,WANG YueChao. Science China（Information Sciences）. 2015(03)
[10]中国蛇类的物种多样性及保护现状[J]. 刘鹏,陈辉,赵文阁,贾竞波. 野生动物. 2009(01)
本文编号：3591193
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