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基于模块GZ-I的蛇形机器人运动性能研究

作　者: 李秀丽
导　师: 陈胜勇；张厚祥
学　校: 浙江工业大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 模块化蛇形机器人模块化结构设计 GZ-Ι单元模块中枢模式发生器(CPG) 运动步态运动性能
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着人类生活和社会经济的快速发展,如今,机器人的应用越来越广泛,几乎渗透到所有领域,因此机器人已经成了社会各个领域中无法取代的必要设备。模块化蛇形机器人采用模块化可重构的设计理念,能够根据特殊的环境情况组合成不同的构型来完成相应的任务,非常适合于未知环境下的作业。模块化蛇形机器人作为机器人领域中一个重要的分支,具有组装非常多样、鲁棒性好、价格便宜等优点,具有一定的优越性。本文主要围绕蛇形机器人机械结构的研究和设计,蛇形机器人的控制原理及控制算法分析和蛇形机器人的运动性能,运动步态分析和运动曲线规划等几个热点问题,展开了深入的研究。因此本文也主要对以下几方面进行了研究:1.本文综合国内外比较典型的蛇形机器人,对蛇形机器人的研究现状及其结构特点进行了详细分析,并提出了研究蛇形机器人的意义和应用价值。针对蛇形机器人的结构特点,本文中的模块化蛇形机器人采用了具有多种连接方式和一维转动自由度的GZ-Ι单元模块,模块化的结构设计不但大大提高了蛇形机器人的可维护性,而且多种连接方式使蛇形机器人的构型灵活多变,同时也大大降低了研制蛇形机器人的成本。2.研究了模块化蛇形机器人的三种越障方法:直接举起越障法、重心调整法,以及空间翻滚越障法。从构成蛇形机器人的GZ-I单元模块的越障能力入手,在此基础上具体分析了整个蛇形机器人系统的越障能力。从理论上深入研究了三种越障方法的原理,在模块直接举起越障方法的基础上采用了重心调整法对其越障能力进行了改进,并对蛇形机器人的爬高过程及其步骤进行了详细分析。最后通过实验验证了以上越障理论的可行性。3.研究了基于GZ-Ι模块的两种线性结构的蛇形机器人:研究分析了Pitch型蛇形机器人的结构设计、运动原理以及运动步态,并对运动步态的实现过程进行了详细分析;同时也对两模块构建的P-P型机器人进行了分析,包括它的运动原理和运动步态,并控制实现了它的运动步态。分别对这两种结构的蛇形机器人运动波形传递过程中的数学模型进行了分析,通过研究比较波形传递过程中各个模块转轴点的角位移、相位差、模块个数和幅角等参数对运动位移和运动步态的影响,得出多模块蛇形机器人的运动步态更加稳定,运动曲线也更加平滑,同时也具有较强的环境适应能力等。此外还研究了Pitch-Yaw型蛇形机器人的结构设计、运动原理及其各种运动步态的实现。4.对应用在大多数蛇形机器人运动曲线规划中的蛇形曲线Serpenoid曲线进行了详细研究,分析了影响蛇形曲线形状的控制参数,针对不同的运动形式,并根据MATLAB仿真实验结果选取了蛇形机器人蜿蜒运动、左右转弯运动时最合理的控制参数值。在蛇形曲线轨迹规划的基础上,对本文设计的Pitch-Yaw型模块化蛇形机器人的正弦运动曲线和左右转弯运动曲线进行了仿真实验。实验结果证明该蛇形机器人能够根据合理的控制参数值,实现正弦运动和左右转弯运动等运动曲线,因此说明该蛇形机器人的模块化结构是合理可行的。本文通过理论研究和实验分析,将对未来模块化蛇形机器人技术领域的研究提供一定的参考价值,尤其是对国内仿生类机器人技术研究方面能够提供一些帮助。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-23
  1.1 课题研究背景  12-13
  1.2 国内外蛇形机器人研究现状  13-18
    1.2.1 目前国内外蛇形机器人研究综述  13
    1.2.2 国外蛇形机器人研究现状  13-16
    1.2.3 国内蛇形机器人研究现状  16-18
  1.3 模块化蛇形机器人的特点及应用前景  18-19
    1.3.1 模块化蛇形机器人的特点  18
    1.3.2 模块化蛇形机器人的应用前景  18-19
  1.4 蛇形机器人的主要研究内容  19-21
  1.5 本文研究内容及组织结构  21-23
第二章蛇形机器人系统结构设计  23-33
  2.1 引言  23
  2.2 模块化设计思想  23-24
  2.3 GZ-I单元模块  24-26
  2.4 机械结构设计  26-29
  2.5 控制系统  29-30
  2.6 控制算法  30-31
  2.7 本章小结  31-33
第三章基于GZ-Ι模块的蛇形机器人越障能力分析  33-48
  3.1 引言  33
  3.2 越障的基本思想  33-36
    3.2.1 单元模块的最大越障能力  34-36
  3.3 模块直接举起越障法  36-37
    3.3.1 直接举起越障法分析  36
    3.3.2 应用前提  36-37
  3.4 重心调整越障法  37-42
    3.4.1 重心调整越障法分析  37-40
    3.4.2 幅角A对抬起模块数的影响  40-42
  3.5 空间翻滚越障法  42-43
    3.5.1 翻滚运动原理  42
    3.5.2 翻滚越障法分析  42-43
  3.6 越障具体步骤  43-45
  3.7 实验结果  45-47
  3.8 本章小结  47-48
第四章蛇形机器人运动步态分析  48-68
  4.1 引言  48
  4.2 Pitch型蛇形机器人  48-56
    4.2.1 运动原理  48-51
    4.2.2 运动步态分析  51-52
    4.2.3 数学模型分析  52-54
    4.2.4 实验结果  54-56
  4.3 P-P结构  56-62
    4.3.1 运动步态分析  56-57
    4.3.2 数学模型分析  57-58
    4.3.3 爬行速度  58-60
    4.3.4 实验及仿真结果  60-62
  4.4 Pitch-Yaw型蛇形机器人  62-67
    4.4.1 运动原理  62-64
    4.4.2 运动步态分析  64-65
    4.4.3 运动步态实验结果  65-67
  4.5 本章小结  67-68
第五章蛇形机器人运动曲线规划  68-81
  5.1 引言  68
  5.2 蛇形曲线Serpenoid  68-72
  5.3 蛇形曲线参数的优化及仿真实验结果  72-77
    5.3.1 蜿蜒运动曲线参数的优化及其仿真实验  72-74
    5.3.2 向左转弯运动曲线参数的优化及其仿真实验  74-75
    5.3.3 向右转弯运动曲线参数的优化及其仿真实验  75-77
  5.4 蛇形机器人运动曲线规划  77-79
    5.4.1 正弦运动曲线参数的选取及其仿真实验结果  77-78
    5.4.2 转弯运动曲线参数的选取及其仿真实验结果  78-79
  5.5 本章小结  79-81
第六章结论与展望  81-84
  6.1 结论  81-83
  6.2 展望  83-84
参考文献  84-89
致谢  89-90
攻读学位期间参加的科研项目和成果  90

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