欠驱动蛇形机器人的设计与研究

论文摘要

随着科学技术的发展,人类的进步。机器人技术的发展非常迅猛,各种各样的机器人纷纷面世,而且得到了广泛的应用。现在的机器人已从传统的简单代替人类繁重和简单重复的劳动中走出来,越来越接近“人”的概念。已开始向星际探索、军事侦察、地下管道的疏通、疾病治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展。正是这一研究方向的转变,人们开始了仿生机器人的研究,因此首先诞生了步行机器人。步行虽然有很强的适应能力并且还有横向运动的能力,但其较低的运动速度和运动稳定性是其致命的缺点。这个时候人们开始把目光投向自然界中无肢运动的动物,因为这种运动方式有着良好地面适应能力和运动稳定性,仿蛇形机器人就在这种背景下诞生了。本学位论文为了精简蛇形机器人的结构,减轻重量,提高效率降低能耗,在实验室现有欠驱动机械臂的基础上,依据摩擦盘运动传递机构和欠驱动理论设计出了一种新的适合于蛇形机器人的结构形式。依据模块化的设计思想完成了蛇形机器人的结构设计,并建立了相应零件的三维模型。接着在摩擦盘运动传递机构数学模型的基础上完成了欠驱动蛇形机器人模块的运动学建模,在此基础上对其进行了非完整性证明和可控性分析,从能量和控制两个角度确定了该欠驱动蛇形机器人模块的合理的关节数,之后通过仿真分析验证了运动学模型的准确性和可控性。然后对欠驱动蛇形机器人进行了运动学分析,在此基础上结合Hirose教授提出的Serpenoid曲线对其进行了蜿蜒运动的轨迹规划,之后通过仿真分析验证了该模型可以按照规划的轨迹完成蛇的蜿蜒前进运动,从而表明了这种以摩擦盘运动传递机构为基础的新的结构形式适合于蛇形机器人,说明了设计欠驱动机械臂的理论可以用于蛇形机器人的设计。最后按照凯恩方程法的建模步骤完成了欠驱动蛇形机器人系统的动力学建模,为后续更合理的轨迹规划和可行的控制算法的研究打下了理论基础。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 蛇形机器人的应用前景
• 1.2 蛇形机器人的国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容及其目的和意义
• 1.4 本文的结构及其研究方法和路线
• 第2章 欠驱动蛇形机器人的设计
• 2.1 生物蛇的构造和运动特点
• 2.1.1 生物蛇的构造
• 2.1.2 蛇鳞片的作用及其运动的动力
• 2.1.3 蛇的运动特点和方式
• 2.2 欠驱动蛇形机器人方案设计
• 2.2.1 欠驱动实现方式的选择
• 2.2.2 蛇形机器人移动机构的选用
• 2.2.3 蛇形机器人能源供给方式的选用
• 2.2.4 欠驱动蛇形机器人的整体方案
• 2.3 欠驱动蛇形机器人三维模型的建立
• 2.3.1 建模与仿真软件简介
• 2.3.2 欠驱动蛇形机器人关键零件的设计
• 2.3.3 欠驱动蛇形机器人的装配
• 2.4 本章小结
• 第3章 欠驱动蛇形机器人模块的运动分析及其仿真
• 3.1 摩擦盘传动的运动模型的建立
• 3.2 欠驱动蛇形机器人模块的运动模型的建立
• 3.3 欠驱动蛇形机器人模块的非完整性证明
• 3.4 欠驱动蛇形机器人模块关节数目的确定
• 3.5 欠驱动蛇形机器人模块的可控性分析
• 3.6 欠驱动蛇形机器人模块的仿真分析
• 3.6.1 仿真模型的建立
• 3.6.2 仿真条件及仿真分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 欠驱动蛇形机器人的运动规划及其仿真
• 4.1 欠驱动蛇形机器人的运动学分析
• 4.2 欠驱动蛇形机器大的运动轨迹规划
• 4.3 欠驱动蛇形机器人前行运动的仿真分析
• 4.3.1 初始状态到Serpenoid曲线状态的仿真分析
• 4.3.2 基于Serpenoid曲线行进一个周期的仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 欠驱动蛇形机器人的动力学分析
• 5.1 凯恩方程法简介
• 5.1.1 凯恩方程法的几个基本概念
• 5.1.2 凯恩动力学方程
• 5.2 欠驱动蛇形机器人动力学模型的建立
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录一 攻读硕士期间发表的学术论文
• 附录二 攻读硕士期间参加的科研项目