蛇形机器人的机构设计和运动控制.pdfVIP

UDC 2004 11 A Dissertation in Mechatronic Engineering Mechanism Design and Locomotion Control of Snake-like Robots By Changlong Ye Supervisor: Professor Shugen Ma Professor Yuechao Wang Graduate School Chinese Academy of Sciences November 2004 摘要 摘要 本文的研究内容是围绕国家“863 ”计划支持项目“具有环境适应能力的蛇 形机器人的研究”和马书根研究员的中国科学院“百人计划”项目展开的。其 主要目标是研究能够适应硬地、沙地和软土地面的蛇形机器人运动步伐，设计 新型蛇形机器人，研究新型蛇形机器人的运动控制问题。主要研究工作分为两 部分，一部分是蛇形机器人运动步伐的研究，另一部分是在实验过程中发现了 原有机构的局限性，设计了新型机构，同时研究了新型蛇形机器人的运动。前 一部分所研究的蛇形机器人的运动步伐同样适合于新型蛇形机器人。两部分的 研究内容是有机的统一体。 本文首先介绍了前期研制的蛇形机器人系统，并介绍了前期的主要研究工 作，说明了深入研究的重要性。 在研究 Serpenoid 曲线的基础上，提出了蛇形机器人完成转弯动作的幅值调 整法和相位调整法两种新的转弯方法。并提出了蛇形机器人完成侧向运动的侧 移调整法。建立了蛇形机器人平面运动的动力学模型，通过实验和仿真验证和 比较了所提出的转弯方法。并在此基础上，探讨了蛇形机器人的平面运动控制 问题。根据蛇形机器人采用被动轮的特点，选择了位移传感器安放在蛇形机器 人的单元上，选择幅值调整法来完成蛇形机器人的平面自主运动控制。仿真实 验证明蛇形机器人通过调整幅值的变化可以完成自主运动控制。 为获得有效的视野范围，蛇形机器人有必要抬头来观察环境。因此对蛇形 机器人能够抬起的最大单元数量进行了分析，并分析了最大关节角度对蛇形机 器人抬头运动的影响。对蛇形机器人的抬头运动的输入函数做了规划，用 Lagrange 动力学方法建立了蛇形机器人抬头运动的动力学方程，并分析了静力 学和动力学特性。对两种抬头规划方法作了比较研究。用 ZMP （Zero Moment Point ）方法对蛇形机器人运动过程中的稳定性进行了分析。实验和仿真都证明 该输入函数的简单有效性。 扭转运动是蛇形机器人的有效运动方式，利用该步伐蛇形机器人可以跨越 障碍。因此本文建立了扭转运动的运动学方程，提出了实现扭转运动的简化输 入模型，通过仿真和实验证明了该简化输入模型的有效性。在此基础上对蛇形 机器人的扭转运动进行了扩展，使蛇形机器人不但能够完成平面的扭转运动， 而且可以将扭转运动与其它的运动形式结合起来，完成复合运动。当然这种复 合运动不仅仅局限在二维复合运动，还包括比较复杂的三维运动，而且本文提 出的简化输入方法