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蛇形机器人运动分析与建模及其在桥梁缆索检测中的应用

作　者: 冯静
导　师: 魏武
学　校: 华南理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 蛇形机器人动力学运动学庞加莱映射缆索检测
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,蛇形机器人的研究受到了国内外的广泛关注,并取得了许多进展。蛇形机器人比传统的两足式机器人或者履带机器人具有更好的运动稳定性和环境适应能力,适合在水下地下管道、凹凸不平或泥泞的地面、墙壁之间的狭小裂缝、外星球失重状态等特殊的环境中运动,具有广阔的应用前景。利用蛇形机器人沿缆索爬升进行缆索检测和维护就是蛇形机器人应用的一个新方向。本文介绍了蛇形机器人主要的几种运动形式和基本的组织架构,对其在平面上和空间中的运动分别进行了运动学和动力学分析与建模,利用庞加莱映射分析了蛇形机器人在平面上运动时的稳定性问题,并结合文中分析研究了蛇形机器人在大型桥梁缆索检测中的应用。首先,论文对蛇形机器人在平面上的运动进行了动力学和运动学分析,通过对蛇形机器人连杆直接进行力学分析分别建立了其粘性摩擦力模型和库伦摩擦力模型,通过动力学的逆运算得出蛇形机器人运动方程,揭示了蛇形机器人的运动控制策略。最后以蜿蜒运动为例进行了建模与仿真。其次,论文利用D-H法和牛顿欧拉方程对蛇形机器人的空间运动进行了动力学和运动学的分析和建模。首先用D-H法对蛇形机器人进行运动学分析,然后利用牛顿-欧拉方程对蛇形机器人进行了动力学分析并建立其动力学模型。最后以行波运动为例进行了实验仿真。再次,论文利用庞加莱映射对蛇形机器人的平面运动进行了稳定性分析。在前面平面运动分析的基础上,根据蛇形机器人的运动模型设计了一个简单的控制器,为了简化运算以3连杆的蛇形机器人为例,利用庞加莱映射分析其稳定性,证明了在该控制器下蛇形机器人的运动是指数稳定的。最后,论文介绍了蛇形机器人的空间攀爬运动,以蛇形机器人绕圆柱的爬行来模拟蛇形机器人绕缆索的爬升,介绍了蛇形机器人绕圆柱爬行的基本姿态的控制规律,并进行了简单的实验论证。最后简单介绍了利用蛇形机器人进行桥梁缆索检测要解决的相关问题,以及这一应用的前景。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-15
  1.1 蛇形机器人的研究背景  11
  1.2 国内外蛇形机器人研究及发展概况  11-13
    1.2.1 国外蛇形机器人研究及发展概况  11-13
    1.2.2 国内蛇形机器人研究及发展现状  13
  1.3 蛇形机器人研究的发展方向  13-14
  1.4 论文的研究内容和目标  14-15
第二章蛇形机器人的相关知识  15-23
  2.1 蛇形机器人运动简介  15-18
    2.1.1 生物蛇运动机理及方式简介  15-17
    2.1.2 蛇形机器人运动方式及分析  17-18
  2.2 蛇形机器人结构设计  18-19
  2.3 蛇形机器人分析与建模方法  19-21
    2.3.1 蛇形机器人运动学建模  20
    2.3.2 蛇形机器人动力学建模  20-21
  2.4 蛇形机器人控制方法  21-22
  2.5 本章小结  22-23
第三章蛇形机器人平面运动分析  23-38
  3.1 蛇形机器人平面运动动力学分析  23-28
    3.1.1 摩擦力相关概念  23-24
    3.1.2 蛇形机器人系统的简化模型  24-26
    3.1.3 简单的粘性摩擦力模型  26-27
    3.1.4 库伦摩擦力模型  27-28
  3.2 蛇形机器人平面运动运动学分析  28-31
    3.2.1 平面运动方程的建立  28-29
    3.2.2 平面运动状态分析  29-30
    3.2.3 蛇形机器人平面运动控制分析  30-31
  3.3 蛇形机器人蜿蜒运动分析  31-37
    3.3.1 蛇形机器人的运动曲线  31-34
    3.3.2 蛇形机器人的蜿蜒运动  34-37
  3.4 本章小结  37-38
第四章蛇形机器人空间运动分析  38-52
  4.1 相关知识介绍  38-43
    4.1.1 空间位置转换矩阵  38-39
    4.1.2 D-H分析法  39-40
    4.1.3 牛顿-欧拉（Newton-Euler）方程  40-43
  4.2 蛇形机器人空间运动建模  43-47
    4.2.1 蛇形机器人空间运动学建模  43-45
    4.2.2 蛇形机器人空间运动动力学分析  45-47
  4.3 蛇形机器人行波运动分析  47-51
    4.3.1 行波运动运动学建模  47-48
    4.3.2 行波运动动力学建模  48-49
    4.3.3 行波运动仿真  49-51
  4.4 本章小结  51-52
第五章蛇形机器人稳定性分析  52-62
  5.1 庞加莱映射相关知识  52-55
    5.1.1 庞加莱映射的定义  52-53
    5.1.2 庞加莱映射的实际应用  53-55
  5.2 蛇形机器人平面运动的模型以及控制器设置  55-58
    5.2.1 简单的平面运动模型  55-57
    5.2.2 简单的蛇形机器人运动控制器分析  57-58
  5.3 基于庞加莱映射的蛇形机器人运动稳定性分析  58-61
    5.3.1 将蛇形机器人的模型转换为一个时间周期性自治系统  59
    5.3.2 蛇形机器人的庞加莱映射  59-60
    5.3.3 稳定性分析与仿真  60-61
  5.4 本章小结  61-62
第六章蛇形机器人在桥梁缆索检测中的应用  62-71
  6.1 利用蛇形机器人进行桥梁缆索检测的现实背景  62-63
  6.2 蛇形机器人攀爬运动研究  63-68
    6.2.1 蛇形机器人攀爬运动简介  63-64
    6.2.2 蛇形机器人攀爬运动的实现  64-68
  6.3 蛇形机器人做桥梁缆索检测的相关问题及应用前景  68-70
    6.3.1 蛇形机器人桥梁缆索检测的相关问题  68-69
    6.3.2 利用蛇形机器人进行桥梁缆索检测的前景  69-70
  6.4 本章小结  70-71
结论  71-72
参考文献  72-77
攻读硕士学位期间取得的研究成果  77-78
致谢  78

蛇形机器人运动分析与建模及其在桥梁缆索检测中的应用

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