仿生机器蟹两栖步行机理与控制方法研究

论文摘要

本文来源于国家自然科学基金项目“两栖仿生机器蟹基础技术研究”，主要研究内容是机器蟹样机总体方案和控制系统设计以及两栖步行机理和基于复杂障碍环境行走的控制方法。在开篇论文对国内外相关研究的现状以及近年来多足步行机结构设计、控制方案以及步态机理研究方面的文献进行了综述。 围绕研制一台以河蟹为生物原形的多足仿生机器人这一目标，对机器人机构本体设计、几何模型的建立、变结构力觉传感器的设计、两栖运动学模型和动力模型进行了分析，以及运动控制系统的搭建，基于力觉反馈的障碍物反射控制的进行了研究。对机器蟹组成进行了总体的介绍。 首先，在建立机器蟹生物模型的基础上，综合分析了常见的多足步行机器人关节形式和驱动方式。总结以往设计中的缺陷，对蟹足的结构进行了改进，并综合考虑多足机器人灵活性要求，设计了机器蟹本体结构方案、对蟹足进行合理的仿生布置，在此基础上进行了机构分析。这对密封方案的要求，两栖仿生机器蟹采用了整体式柔性腔体密封，根据两栖仿生机器蟹的本体结构，采用快速成型技术进行了模具设计。通过查阅大量的资料和实验研究，研究出分体式的密封外衣的粘结技术。通过密封后的水下实验观察，验证了整体式柔性腔体密封方案的可行性和可靠性。密封效果好，应用性强。 此外，根据机器蟹控制性能的总体要求，制定了分阶三层控制系统的方案。主要完成了下层系统中驱动电路、直流电机双闭环控制、力传感器、超声波传感器、电子陀螺的信号采集处理、总线通讯等软硬件模块的设计。并提出以反射模型作为机器蟹实时反馈外界环境信息，对机器蟹步态进行控制。 而后，根据机器蟹步行的特点，将机器蟹的步行分成陆地步行和水中步行两种运动状态，对机器蟹的两栖运动机理进行研究。对于机器蟹的陆地步行情况，首先将单腿步行足的几何模型，运用D-H坐标法得到其运动学的正反解。对着地腿与地面形成的并联机构进行了运动学分析，运用并联机构影响系数的分析方法，得到身体平台的速度与各关节转角速度之间的关系式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外多足步行机器人研究现状和发展方向
• 1.2.1 国内外多足步行机器人概述
• 1.2.2 多足步行机器人运动分析的主要内容
• 1.2.3 仿生多足步行机器人的关键技术
• 1.3 本论文完成的主要工作
• 第2章 机器人系统的总体设计及侦查方案
• 2.1 引言
• 2.2 四型仿生机器蟹简介
• 2.3 机器人机械本体构成及工作原理
• 2.3.1 机构组成及功能
• 2.3.2 模块化蟹足结构组成及特点
• 2.3.3 复合足的结构组成及特点
• 2.4 机器人控制系统功能及结构
• 2.5 两栖机器蟹感知模块构成及工作原理
• 2.5.1 变结构力觉传感器组成及工作原理
• 2.5.2 两栖超声波传感器组成及工作原理
• 2.5.3 位姿感知方案及模块组成
• 2.6 两栖机器蟹的供电系统
• 2.7 基于有限状态机的任务执行方案
• 2.8 本章小结
• 第3章 两栖仿生机器蟹样机本体方案设计
• 3.1 引言
• 3.2 仿生机器蟹机构本体设计
• 3.2.1 步行足模型的建立及简化
• 3.2.2 仿生机器蟹整体模型的建立
• 3.2.3 仿生机器蟹关节驱动元件的选用
• 3.2.4 仿生机器蟹关节驱动与传动方式
• 3.2.5 仿生机器蟹蜗轮蜗杆关节设计
• 3.2.6 仿生机器蟹躯体与蟹足的仿生布局
• 3.3 仿生机器蟹水下密封设计
• 3.3.1 模具材料的选用分析
• 3.3.2 密封外衣的模具设计
• 3.3.3 密封外衣的配方设计
• 3.3.4 密封胶乳的胶凝和成膜
• 3.3.5 密封外衣的硫化
• 3.3.6 密封外衣与确定自身重量及相对密度的矛盾
• 3.4 本章小结
• 第4章 仿生机器蟹分级递阶智能控制系统研究
• 4.1 引言
• 4.2 机器蟹控制系统的要求
• 4.3 机器蟹分级递阶智能控制系统概述
• 4.4 仿生机器蟹三级递阶控制系统硬件结构
• 4.4.1 蟹足关节电机驱动模块
• 4.4.2 无线数传模块
• 4.4.3 红外遥控模块
• 4.4.4 液晶显示模块
• 4.4.5 网络通信接口
• 4.4.6 模糊自整定PID电机伺服控制器设计
• 4.4.7 二自由度蟹足协调器
• 4.5 控制系统的软件模块设计
• 4.5.1 路径规划模块的软件结构
• 4.5.2 基于触障反射的步态协调模块的软件结构
• 4.6 本章小结
• 第5章 仿生机器蟹两栖环境感知系统研究
• 5.1 引言
• 5.2 仿生机器蟹变结构力觉传感器的设计
• 5.2.1 变结构力传感器的原理
• 5.2.2 力觉传感器信号采集
• 5.2.3 传感器的数据处理
• 5.3 基于行为的变结构力传感器的信息融
• 5.4 两栖超生波测距模块设计
• 5.4.1 超声波测距原理
• 5.4.2 两栖超生波测距模块硬件电路
• 5.5 机器人位姿检测模块设计
• 5.6 本章小结
• 第6章 机器蟹两栖运动机理研究
• 6.1 引言
• 6.2 机器蟹陆地行走的运动学分析
• 6.2.1 单步行足运动学方程
• 6.2.2 单步行足运动方程的正解和反解
• 6.2.3 单步行足的速度雅可比运动学方程
• T'>6.2.4 力雅可比J^T
• 6.2.5 着地腿的运动学分析
• 6.3 静水中机器蟹运动模型简化
• 6.3.1 机器蟹在水中行走时的受力分析
• 6.3.2 机器蟹在水中行走的跳跃模型以及对步态的影响
• 6.4 静水中单腿步行足的动力学分析
• 6.5 仿生机器蟹静态稳定性分析
• 6.5.1 静态稳定性区域原理
• 6.5.2 仿生机器蟹静态稳定性描述
• 6.5.3 仿生机器蟹稳定裕度分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 基于力觉反射模型的机器蟹样机步行实验
• 7.1 引言
• 7.2 机器蟹样机及实验环境介绍
• 7.2.1 机器蟹原理样机基本参数
• 7.2.2 机器蟹原理样机数据采集系统
• 7.3 步行足关节传动性能实验
• 7.3.1 关节传动间隙对角度控制的影响
• 7.3.2 关节驱动性能的测试
• 7.4 基于变结构力觉传感器的触障行走试验
• 7.4.1 落足反射试验
• 7.4.2 横行力觉反馈与触障反射试验
• 7.4.3 姿态反射试验
• 7.5 两栖机器蟹水环境试验
• 7.5.1 水环境爬行试验
• 7.5.2 水下爬坡试验
• 7.5.3 水下越障试验
• 7.5.4 米深水水密试验
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢