仿尺蠖攀爬机器人能量最优轨迹规划研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：专业硕士学位论文（工程硕士）仿尺蠖攀爬机器人能量最优轨迹规划研究硕士研究生：孙晓杰指导教师：姚建均教授企业导师：孙锐研究员学科、专业：机械工程论文主审人：刘少刚教授哈尔滨工程大学2018年5月分类号：密级：UDC：编号：专业硕士学位论文（工程硕士）仿尺蠖攀爬机器人能量最优轨迹规划研究硕士研究生：孙晓杰指导教师：姚建均教授学位级别：工学硕士工程领域：机械工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2018年5月论文答辩日期：2018年6月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheProfession

2、alDegreeofMaster（MasterofEngineering）ResearchofMinimum-energyTrajectoryPlanningforanInchwormClimbingRobotCandidate:SunXiaojieSupervisor:Prof.YaoJianjunAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringEngineeringField:MechanicalEngineeringDateofSubmission:May.2018DateofOralExamination:Jun.2018Universit

3、y:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权

4、保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（在授予学位后即可在授予学位12个月后解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日仿尺蠖攀爬机器人能量最优轨迹规划研究摘要攀爬机器人可以代替人类从事各种高危、高强度的高空作业，而为了完成高空作业的目标，需要攀爬机器人有

5、较强的续航能力。基于这种背景，结合攀爬机器人研究领域的研究成果，设计了一款高空作业机器人——仿尺蠖攀爬机器人。为了降低仿尺蠖攀爬机器人的能耗、提升其续航能力，针对其两种攀爬步态进行了能量最优轨迹规划研究。本文的主要研究如下：介绍了国内外不同的攀爬机器人，对比分析了各种攀爬机器人的结构和优缺点，为本文设计一款新型仿尺蠖攀爬机器人奠定了基础。论述了国内外关于机器人能量最优轨迹规划方面的研究成果，发现机器人匀速运动或运动轨迹曲率较大时最为节省能量，对后续能量最优轨迹规划提供了依据。以仿生原理分析尺蠖的运动机理，抽象出机器人的结构简图，并以此为依据设计了仿尺蠖攀爬机器人的总体构型。运用模块化设计

6、方法将仿尺蠖攀爬机器人分为三大模块：关节模块，夹持器模块以及连接模块，并分别进行了设计。最后在SolidWorks中完成了总体结构设计并建立了三维模型。运用D-H理论，分析仿尺蠖攀爬机器人的正逆运动学，求解其雅可比矩阵。使用拉格朗日方法分析了仿尺蠖攀爬机器人的动力学，计算出了机器人三个关节的力矩模型。使用MATLAB机器人工具箱对计算结果展开仿真分析，验证了结构设计的合理性以及运动学和动力学分析的正确性。针对攀爬机器人的基本步态和过渡步态，选取了两种攀爬步态运动轨迹上的关键点，使用抛物线过渡的线性插值方法规划了运动轨迹。使用IPSOIGSA联合算法，以插值时间为参数对规划好的轨迹进行能耗

7、最小的优化。优化结果显示IPSOIGSA联合算法收敛速度快，优化后的轨迹平滑无突变，冲击和振动在预定范围内。使用模糊自适应PID控制算法设计了仿尺蠖攀爬机器人三个关节的控制器，并在ADAMS中搭建机械模型，随后导出至MATLAB中建立控制模型。两种攀爬步态的联合仿真结果显示仿尺蠖攀爬机器人期望轨迹和仿真轨迹的误差较小，在接受范围内。关键词：仿尺蠖攀爬机器人；模块化设计；IPSOIGSA；轨迹规划哈尔滨工程大学硕士学位论文Abstra