关于蛇形机器人结构、运动及控制的研究

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1、上海交通大学硕士学位论文关于蛇形机器人结构、运动及控制的研究姓名：何海东申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：曹志奎20050201上海交通大学硕士学位论文关于蛇形机器人结构运动及控制的研究摘要当代移动机器人的研究领域正朝着非结构环境下的自主作业方向发展而传统的轮式或履带机器人以及步行机器人由于运动稳定性差和地面适应能力差等不足已经不适应非结构化环境下作业的要求解决问题的出发点在于运动方式的转变在自然界中生物蛇的运动具有运动方式多变化良好的地面适应性及运动稳定性等典型特点于是在仿生机械学中模仿生物蛇而诞生的蛇形机器人应运而生它将逐渐具

2、备上述特性蛇形机器人是一种高冗余度移动机器人具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度使得它可以摹仿生物蛇的无肢运动蛇形机器人的这些特点使得它在倒塌建筑物中的抢险救灾军事侦察星际探索等高危险环境下具有广阔的应用前景研究和制作蛇形仿生冗余度机器人将很有吸引力国外早在60年代晚期就已经开始了冗余度蛇形机器人的研究和设计尽管近年来有关蛇形机器人模型的研制取得了不少进展但是建立的模型的针对性太强缺乏通用性而且有些的研究仅停留在理论层面针对目前蛇形机器人研究领域的薄弱环节本文全面分析了蛇形机器人研制的全过程重点讨论了蛇形机器人的结构设计运动分析和控制

3、体-1-上海交通大学硕士学位论文统中结构设计和人机界面HMI的开发在篇末对蛇形机器人的导航基于传感器的路径规划做了简要的阐述论文的主要研究内容如下1.蛇形机器人结构设计方面的研究我们自己研制开发出了研制开发出了一种新型的能同时具有水平和正交串联两种连接方式的框架结构的蠕动蛇形机器人在结构上实现了陈丽等人的可重构思想和东京大学的ShigeoHirose教授提出的ACM模型的设想该结构的突出特点在于轻质灵活性模块化可重构2.蛇形机器人运动学的D-H分析我们把自然界蛇的结构加以简化提出了连杆铰链机构,分析了自然界蛇的典型运动方式基于连杆铰链机构我们

4、对蛇形机器人作了D-H分析把蠕动蛇形机器人的执行单元简化为一个平面1DOF的转动副而机器蛇整体可以看作是一个多自由度的连杆机构因此可通过分析各个执行单元的D-H参数得到各个单元的齐次矩阵进而推导出蛇形机器人执行单元平行连接和交叉连接两种情况下的运动位姿速度公式3.蛇形机器人的步态规划该部分重点阐述了蛇形机器人的直线运动步态和抬头步态并对侧向盘旋运动做了简要的分析在直线步态中该部分重点阐述了蛇形机器人直线运动步态运动时的三角波推进机理利用平面四杆机构的知识分析了三角波推进时的运动并根据运动仿真的结果拟合出了在任意初始转角下相对角速度出现突变时对

5、应的角度公式构造了一个较优的电机沿波传递方向角位移的二次函数提出了一个关于初始转角大小的评价函数并-2-上海交通大学硕士学位论文给出了结论分析了抬头步态时关节姿态的调整但并没有进行定量计算结尾对侧向盘旋运动做了简要的分析4.蛇形机器人控制系统的研究提出了PC机无线传输UART串口上位机下位机驱动电机的分散控制集中管理的控制模式重点研究了基于MCGS组态软件的人机界面HMI的开发和上下位单片机系统的开发在人机界面系统的开发中有五大人机交互的功能模块为蛇形机器人的人机对话控制提供了全面的解决方案在实现上述三层控制模式中分析了有关人机界面硬件的通用

6、性等六个方面的难点并给出了解决方法5.蛇形移动机器人的导航问题本部分阐述了蛇形移动机器人的导航问题限于篇幅只重点阐述了基于传感器的导航问题对非结构环境下的运动规划也仅仅做了简要的分析基于多传感器融合的特征提取方法即时定位与地图创建将会是蛇形机器人在非结构环境运动规划方面值得进一步研究的地方国内外有关移动机器人在非机构化环境下的到运动规划研究很多这些研究在很大程度上可以成为蛇形机器人研究的借鉴,并在篇末指出了该领域今后研究中几个可能的热点内容关键字蛇形机器人结构设计D-H分析步态规划控制系统导航问题-3-上海交通大学硕士学位论文STUDYONS

7、TRUCTURE,MOTIONANDCONTROLOFSNAKE-LIKEROBOTABSTRACTTherearchonmodernmobilerobothasbeguntomotionunderunkownenvironment,whichwheelrobotcan’tadaptedforsuchareas.Thesolutionistochargethemotionmodel.Thesnakeinnaturehastoomuchrepresentivecharacteristic:flexibility,adaptabilityands

8、tabilityinthemotionstyle.Inimitationmechanics,thesnake-likerobotcomesintobeingandw