蛇形机器人在障碍物环境中的运动研究

论文摘要

蛇形机器人要走向实际应用,必须着力解决的首要问题是如何在复杂环境中运动以及实现适应环境的避障基础理论问题。本文致力于研究蛇形机器人在复杂环境中的避障运动。目前蛇形机器人普遍采用模块化结构,以便于设计安装和节约成本。蜿蜒运动是蛇形机器人通过各个模块间规律性的振荡推动整个蛇体运动的一种运动步态,是蛇形机器人运动效率较高的一种运动方式。这种运动方式不同于普通的行走机器人,维护模块之间的规律性振荡产生蜿蜒运动使运动控制变得复杂,更增加了复杂环境中路径规划的难度。本文在蜿蜒运动理论基础上,基于几何法、人工势能法和改进后的人工势能法对蛇形机器人在障碍物环境下的运动进行规划。利用几何方法探讨了通过规划蛇头与规划整个蛇体对蛇形机器人运动路径的影响,得到更有利于运动稳定性的规划方法,为人工势能法奠定基础。应用人工势能法中将障碍物赋予高势能产生排斥力,将目标赋予低势能产生吸引力,使蛇形机器人在排斥力与吸引力的作用下避开障碍物到达目标。在人工势能法中,蛇形机器人在纵向方向偏移障碍物的距离过大,这不仅浪费了能量,而且增加了运动时间。综合蛇形机器人前进方向与障碍物势能的关系,对人工势能法进行改进。将障碍物产生的排斥力组成的等势面改成椭圆形,不仅缩短了运动路径更提高蛇形机器人的运动稳定性。分析外力对蛇形机器人的运动方向及运动稳定性的影响,建立了避障过程中的力学理论。最后,通过3D动力学模型模拟真实机器人在障碍物环境中的避障运动,验证了避障方法的可行性。本文的研究对蛇形机器人在障碍物环境中的路径规划具有推动作用,为蛇形机器人的应用奠定理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 蛇的运动特点及生活环境
• 1.3 蛇形机器人的优点与缺陷
• 1.3.1 蛇形机器人的优点
• 1.3.2 蛇形机器人的缺点
• 1.3.3 蛇形机器人的应用
• 1.4 蛇形机器人研究的主要内容
• 1.5 本课题国内外研究现状及发展趋势
• 1.5.1 国外研究现状
• 1.5.2 国内研究现状
• 1.6 本文的主要内容
• 第2章 蛇形机器人的机构及运动函数
• 2.1 引言
• 2.2 蛇形机器人的机构介绍
• 2.2.1 外壳
• 2.2.2 连接机构
• 2.2.3 运动机构
• 2.2.4 驱动机构
• 2.3 运动函数
• 2.3.1 摆动幅度对运动的影响
• 2.3.2 输入频率对运动的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 蛇形机器人在障碍物环境中的运动规划
• 3.1 引言
• 3.2 运动规划
• 3.2.1 建立运动模型
• 3.2.2 基于几何方法规划蛇形机器人的运动
• 3.2.3 基于人工势能法规划蛇形机器人的运动路径
• 3.2.4 基于改进的人工势能法规划蛇形机器人的运动路径
• 3.3 小结
• 第4章 蛇形机器人在障碍物环境中的动力学
• 4.1 引言
• 4.2 建立模型
• 4.3 动力学分析
• 4.4 仿真及结果
• 4.5 结论
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文