基于双互抑驱动神经元的单足力控制研究

论文摘要

六足仿生机器人是特种机器人的一种,作为主动可变的平台具有运动灵活、稳定性好、对环境适应性强的特点,可被应用于各种危险或恶劣环境中执行特殊任务,并代替人类工作,比如引爆、勘探等,因此对其研究逐渐受到重视。六足机器人自主作业的过程中经常会遇到对未知环境适应性的挑战,而对其足力控制进行研究可以增强机器人感知、适应和行动能力,具有重要的现实意义。本文以实验室自行研制的六足机器人为研究对象,针对其步行运动中的足力控制目标,采用仿生学思想,基于多足动物运动神经元控制机理,开展了面向机器人足的双互抑驱动神经元力控制方法研究。首先,根据生物运动神经系统的工作机理以及运动神经元的响应、信息传出原理,建立运动神经元的数学模型,并对其进行近似线性化处理以减小运算量、提高实时性;在此基础上根据双互抑运动神经元的控制机理,建立了双互抑运动神经元的数学模型。其次,在分析了足式机器人力控制特点的基础上,提出了六足机器人足力控制目标;借鉴传统力控制策略,提出了基于双互抑运动神经元数学模型的力控制策略,该控制策略不依赖机器人自身和环境参数模型,对机器人足力控制具有快速性、柔顺性的特点,增强了机器人在未知环境下的自主作业能力。最后,为了对算法的正确性和有效性进行验证,设计了单关节力控制器,将其融入到机器人的单足运动中,分别在结构化和非结构化环境下对机器人的足力控制进行仿真实验,并提出了基于机器人足力控制的避障反射和踏空反射处理策略,提高了机器人对非结构化环境的适应性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的意义
• 1.2 机器人力控制国内外研究现状
• 1.2.1 经典力控制策略
• 1.2.2 先进力控制
• 1.2.3 足式机器人力控制国内外研究现状
• 1.3 课题的主要研究内容
• 第2章 双互抑驱动神经元数学模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 运动神经元的响应原理
• 2.2.1 运动神经元的响应原理与实验
• 2.2.2 运动神经元信息传出原理与实验
• 2.2.3 运动神经元数学模型
• 2.3 双互抑运动神经元的数学模型
• 2.3.1 双互抑运动神经元控制机理
• 2.3.2 双互抑运动神经元数学模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于双互抑驱动神经元的单足力控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 六足机器人足力控制问题的提出
• 3.2.1 六足机器人足力控制目标分析
• 3.2.2 单足力控制的物理模型
• 3.3 基于双互抑驱动神经元的单足力控制器设计
• 3.3.1 双互抑驱动神经元的“拮抗”模型
• 3.3.2 基于双互抑驱动神经元的单关节力控制器设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 单足力控制仿真实验及结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 单关节力跟踪仿真实验及结果分析
• 4.2.1 仿真系统平台的搭建
• 4.2.2 仿真结果及分析
• 4.3 结构化环境下的单足力跟踪仿真实验及结果分析
• 4.3.1 仿真系统平台的搭建
• 4.3.2 仿真结果及分析
• 4.4 非结构化环境下的单足力控制仿真实验及结果分析
• 4.4.1 台阶和变刚度环境下单足力控制研究
• 4.4.2 踏空反射处理策略
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢