蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、蛇形機(jī)器人是仿照生物蛇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)機(jī)理而研制出的一種高冗余度的仿生機(jī)器人。相對(duì)于足式、輪式及履帶式等類型的移動(dòng)機(jī)器人，蛇形機(jī)器人體積較小，運(yùn)動(dòng)形式多樣，具有較強(qiáng)的地面適應(yīng)能力，在災(zāi)后救援、軍事偵察、星際探索等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以蛇形機(jī)器人為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種具備一定越障能力的新型蛇形機(jī)器人。
　　首先，設(shè)計(jì)了蛇形機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，本文分析了生物蛇的骨骼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)形式，并對(duì)蛇形機(jī)器人的平面運(yùn)動(dòng)受力情況進(jìn)行了分

2、析，得到了蛇形機(jī)器人能夠順利實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)的力學(xué)條件。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊，合理選擇了關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式與動(dòng)力源，根據(jù)蛇形機(jī)器人輕量化的要求，選用密度小強(qiáng)度高的聚甲醛樹(shù)脂作為蛇形機(jī)器人的材料。建立了蛇形機(jī)器人的三維模型，并利用有限元分析軟件對(duì)蛇形關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析。
　　其次，完成了蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，本文對(duì)蛇形機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)和抬頭運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，并且著重研究了蛇形機(jī)器人蜿蜒運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)中各個(gè)參數(shù)對(duì)機(jī)器人

3、運(yùn)動(dòng)波形和運(yùn)動(dòng)速度的影響。為了提高蛇形機(jī)器人的越障能力，本文提出了一種蛇形機(jī)器人新型運(yùn)動(dòng)形式：蜿蜒-尺蠖運(yùn)動(dòng)。在Adams中建立了蛇形機(jī)器人虛擬樣機(jī)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制方法的有效性。
　　然后，設(shè)計(jì)了蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過(guò)分析蛇形機(jī)器人集中式控制系統(tǒng)與分布式控制系統(tǒng)兩種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了蛇形機(jī)器人主從式分布控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，并在此基礎(chǔ)上選取了控制系統(tǒng)硬件。本文還利用C++語(yǔ)言編寫(xiě)了蛇形機(jī)器人在線控制程序，利用Ardu

4、ino語(yǔ)言編寫(xiě)了蛇形機(jī)器人離線運(yùn)動(dòng)控制程序。本文還設(shè)計(jì)了蛇形機(jī)器人圖像采集系統(tǒng)，通過(guò)合理選擇攝像頭與無(wú)線傳輸模塊，解決了蛇形機(jī)器人圖像采集與傳輸問(wèn)題，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)視、偵查功能。
　　最后，在加工裝配完成的蛇形機(jī)器人樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證了蛇形機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的可靠性，并且通過(guò)蛇形機(jī)器人樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了蛇形機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)、抬頭運(yùn)動(dòng)以及越障運(yùn)動(dòng)。針對(duì)蛇形機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動(dòng)，選取了不同的控制參數(shù)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步