基于章鱼仿生的柔性臂建模与控制

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1、硕士学位论文题目:基于章鱼仿生的柔性臂建模与控制研究生袁文婷专业控制工程指导教师吴秋轩副教授完成日期2016年3月杭州电子科技大学硕士学位论文基于章鱼仿生的柔性臂建模与控制研究生：袁文婷指导教师：吴秋轩副教授2016年3月DissertationSubmittedtoHangzhouDianziUniversityfortheDegreeofMasterModelingandControlofFlexibleManipulatorBasedonOctopusBionicCandidate:YuanWentingSupervisor:Associate-Prof.QiuxuanWuMarch

2、，2016抗州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创幢声明本人郑重声明，，：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果，。除文中已经注明引用的内容外本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品或成果，。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均己在文中明确方式标明。一申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关贵任。论文作者签名；扫；日期年＾月ｉｒ学位论文使用授权说明，目Ｐ本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定；研巧生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发

3、表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学，。学校有权保留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文学校可Ｗ公布论文的全部或部分内容，可Ｗ允许采用影印、缩印或其；它复制手段保存论文）。（保密论文在解密后遵守此规定＾论文作者签名：曰：曰期年月也指导教师签名；＼日期：年月日５與亏；｜Ｉ杭州电子科技大学硕士学位论文摘要目前，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

4、，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

5、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

6、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I杭州电子科技大学硕士学位论文ABSTRACTCurrently,traditionalrobotshavebeenwidelyusedininvestigation,detection,rescue,medicalandotherfields.Theresearchonmodeling,actuatorandcontroloftraditi

7、onalrobotshasbeenmaturedgradually,howevertheapplicationsoftraditionalrobotisrestrictedinsomeareasbecauseofitsrigidstructure,limitedDOFandoperatingspace.Thesoft-bodiedrobotsaregrowingandmakeupfortheinadequacyofrig