欠驱动蛇形机器人无源控制研究

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1、摘要随着仿生学的发展，仿生机器人在许多应用领域异军突起，其中以蛇形机器人最为突出。国内外的专家对机器蛇的研究相对较早，其相关理论和技术相对较完善。其中一些已经应用到了实际生活中。机器蛇应用领域相对较广。它可应用于障碍物众多、地面凹凸不平、工作空间狭小等环境进行军事侦察攻击、水下地下管道检修、抢险救灾等非结构环境下的自主作业，特别是将在星球探测中扮演重要角色。由于其工作环境的复杂和不确定，常造成一些部件的失效，其中以驱动器失效最为普遍。但常常由于其工作环境的特殊性不能及时更换部件且必须使其完成一定的工作。再者减少驱动器可以降低重量、减少能量消耗，增强其灵活性。因此对欠驱动机器蛇

2、的研究相对于全驱动机器蛇更具有实际意义。国内外的学者对机器蛇进行了大量的理论研究和样机设计，但绝大部分都是以轮式机器蛇为研究对象的。关于欠驱动机器蛇的研究还未查到相关报道。本文主要以更接近于实际蛇的无轮机器蛇为研究对象，建立了以连杆绝对角度及头部位置为变量的动力学方程I，通过坐标变换对其进行了解耦。推导了以连杆绝对角度及重心位置为变量的动力学方程II及对其解耦。详尽分析了机器蛇的蜿蜒运动，并根据无源控制技术对机器蛇设计了关节角度无源控制器，并进行了仿真以说明其运动特性及证明控制器的有效性。通过对末关节欠驱动的四连杆机器蛇的仿真研究，分析了它的运动特点及关节角度输入的三个参数对

3、欠驱动机器蛇运动特性的影响，并对末端关节欠驱动的三连杆机器蛇的局部可控性进行了证明。通过建立的动力学方程I可以得到机器蛇在运动过程中任意时刻的身体形态及位置，弥补了动力学方程II的不足。三连杆欠驱动机器蛇的局部可控性证明为进一步设计其关节角度控制器奠定了理论基础。关键词机器蛇：欠驱动；无源性；非完整；局部可控；李代数；微分同胚燕山大学j二学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofbionics，anewforceofthebionicrobotssuddenlyrises，inwhichthesnakerobotisthemostremarkabl

4、e．Thenationalandforeignexpertshavestudiedthesnakerobotsearlierthantheothers，SOthatthetheoryandtechniqueaboutsnakerobotsismoreperfectibleandmanyhavebeenputintopractice．Thesnakerobotcarlbeappliedinawidestarea，suchasmoreimpediment，concavo—Convexterrains，narrovcrlessspacgtomartialscout，examinea

5、ndrepairpipeline，reconinruinsetc．independentworksinsuchunknownenvironments，especiallyplayaimportantroleinthestarexplore．Justbecauseofthecomplexityanduncertaintyoftheworkingenvironment，partsofthesnakerobotoftenbeinvalidated，inwhichtheactuatorshavethemostpossibility．Butbecauseoftheparticulari

6、tyoftheworkingenvironment，itisimpossibletoreplaceormaintaintimelythedestroyedpartsanditmustworkanddealwithsomeproblem．Furthermoretheenergyconsumedcarlbedecreased，improvetheagility．Sothestudyoftheunderactuatedsnakerobotshasthen'iorepracticalapplication．Thenationalandforeignexpegsprocessmanyt

7、heoryproblemsandplameswhichmostlyaimatthesnakerobothavingwheelsinthebelly．Therelativelycontentsabouttheunderaetuatedsnakerobotshaven’tbeenreported．Thisthesismainlystudiesthesnakerobotclosertotherealsnakebygettingridofwheels．ModelingtherobotdynamicsI，whic