蛇形机器人结构设计与运动控制研究

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1、工程硕士学位论文蛇形机器人结构设计与运动控制研究RESEARCHONSTRUCTUREDESIGNANDMOTIONCONTROLOFSNAKELIKEROBOT王生栋哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TP242.6学校代码：10213国际图书分类号：681密级：公开工程硕士学位论文蛇形机器人结构设计与运动控制研究硕士研究生：王生栋导师：王鹏飞副教授申请学位：工程硕士学科、专业：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.6U.D.C:681Dissertationf

2、ortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONSTRUCTUREDESIGNANDMOTIONCONTROLOFSNAKELIKEROBOTCandidate：WangShengdongSupervisor：A/Prof.WangPengfeiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefense：June,201

3、6DegreeConferringInstitution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要蛇形机器人是仿照生物蛇的结构特点与运动机理而研制出的一种高冗余度的仿生机器人。相对于足式、轮式及履带式等类型的移动机器人，蛇形机器人体积较小，运动形式多样，具有较强的地面适应能力，在灾后救援、军事侦察、星际探索等领域具有广阔的应用前景。本文以蛇形机器人为研究对象，设计了一种具备一定越障能力的新型蛇形机器人。首先，设计了蛇形机器人本体结构，本文分析了生物蛇的骨骼结构特点与常见的运动形式，并对蛇形机器人的平面运动受力情

4、况进行了分析，得到了蛇形机器人能够顺利实现平面运动的力学条件。在此基础上设计了蛇形机器人关节模块，合理选择了关节驱动方式与动力源，根据蛇形机器人轻量化的要求，选用密度小强度高的聚甲醛树脂作为蛇形机器人的材料。建立了蛇形机器人的三维模型，并利用有限元分析软件对蛇形关键零部件进行了有限元分析。其次，完成了蛇形机器人运动规划，本文对蛇形机器人的蜿蜒运动、转弯运动和抬头运动进行了研究，并且着重研究了蛇形机器人蜿蜒运动控制函数中各个参数对机器人运动波形和运动速度的影响。为了提高蛇形机器人的越障能力，本文提出了一种蛇形机器人新型运动形式：蜿蜒-尺蠖运动。在Adams中建

5、立了蛇形机器人虚拟样机，通过仿真实验验证了控制方法的有效性。然后，设计了蛇形机器人控制系统，通过分析蛇形机器人集中式控制系统与分布式控制系统两种控制方式的优缺点，确定了蛇形机器人主从式分布控制系统的结构形式，并在此基础上选取了控制系统硬件。本文还利用C++语言编写了蛇形机器人在线控制程序，利用Arduino语言编写了蛇形机器人离线运动控制程序。本文还设计了蛇形机器人图像采集系统，通过合理选择摄像头与无线传输模块，解决了蛇形机器人图像采集与传输问题，使机器人实现了视频监视、侦查功能。最后，在加工装配完成的蛇形机器人样机上进行了实验。验证了蛇形机器人本体结构与控

6、制系统的可靠性，并且通过蛇形机器人样机实现了蛇形机器人的蜿蜒运动、转弯运动、抬头运动以及越障运动。针对蛇形机器人的蜿蜒运动，选取了不同的控制参数，通过大量的实验进一步验证了蜿蜒运动控制函数中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响。蛇形机器人图像采集与传输系统的可行性也通过实验进行了验证。关键词：蛇形机器人，本体结构，运动规划，控制系统，越障-IV-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThesnake-likerobotisakindofhighredundancystructureandthemovementmechanismoftheb

7、ionicrobotismodeledonbiologicalsnakes.Comparedwiththefoot,wheeled，trackedandothertypesofmobilerobot,thesnake-likerobothastheadvantagesofsmallersize,moreformsofmotion,andstrongergroundadaptability.Ithasbroadapplicationprospectsinthefieldofdisasterrelief,militaryreconnaissance,inters

8、tellarexplorationandsoon.T