基于模塊GZ-I的蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能研究.pdf

1、隨著人類生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,如今,機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛,幾乎滲透到所有領(lǐng)域,因此機(jī)器人已經(jīng)成了社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中無法取代的必要設(shè)備。模塊化蛇形機(jī)器人采用模塊化可重構(gòu)的設(shè)計(jì)理念,能夠根據(jù)特殊的環(huán)境情況組合成不同的構(gòu)型來完成相應(yīng)的任務(wù),非常適合于未知環(huán)境下的作業(yè)。模塊化蛇形機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)重要的分支,具有組裝非常多樣、魯棒性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),具有一定的優(yōu)越性。
　　 本文主要圍繞蛇形機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì),蛇形機(jī)

2、器人的控制原理及控制算法分析和蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能,運(yùn)動(dòng)步態(tài)分析和運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)劃等幾個(gè)熱點(diǎn)問題,展開了深入的研究。因此本文也主要對(duì)以下幾方面進(jìn)行了研究:
　　 1.本文綜合國內(nèi)外比較典型的蛇形機(jī)器人,對(duì)蛇形機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析,并提出了研究蛇形機(jī)器人的意義和應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文中的模塊化蛇形機(jī)器人采用了具有多種連接方式和一維轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的GZ-Ⅰ單元模塊,模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但大大提高了蛇形機(jī)

3、器人的可維護(hù)性,而且多種連接方式使蛇形機(jī)器人的構(gòu)型靈活多變,同時(shí)也大大降低了研制蛇形機(jī)器人的成本。
　　 2.研究了模塊化蛇形機(jī)器人的三種越障方法:直接舉起越障法、重心調(diào)整法,以及空間翻滾越障法。從構(gòu)成蛇形機(jī)器人的GZ-Ⅰ單元模塊的越障能力入手,在此基礎(chǔ)上具體分析了整個(gè)蛇形機(jī)器人系統(tǒng)的越障能力。從理論上深入研究了三種越障方法的原理,在模塊直接舉起越障方法的基礎(chǔ)上采用了重心調(diào)整法對(duì)其越障能力進(jìn)行了改進(jìn),并對(duì)蛇形機(jī)器人的爬高過程及其

4、步驟進(jìn)行了詳細(xì)分析。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上越障理論的可行性。
　　 3.研究了基于GZ-Ⅰ模塊的兩種線性結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人:研究分析了Pitch型蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)原理以及運(yùn)動(dòng)步態(tài),并對(duì)運(yùn)動(dòng)步態(tài)的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了詳細(xì)分析；同時(shí)也對(duì)兩模塊構(gòu)建的P-P型機(jī)器人進(jìn)行了分析,包括它的運(yùn)動(dòng)原理和運(yùn)動(dòng)步態(tài),并控制實(shí)現(xiàn)了它的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。分別對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)波形傳遞過程中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析,通過研究比較波形傳遞過程中各個(gè)模塊轉(zhuǎn)軸

5、點(diǎn)的角位移、相位差、模塊個(gè)數(shù)和幅角等參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)位移和運(yùn)動(dòng)步態(tài)的影響,得出多模塊蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)更加穩(wěn)定,運(yùn)動(dòng)曲線也更加平滑,同時(shí)也具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力等。此外還研究了Pitch-Yaw型蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)原理及其各種運(yùn)動(dòng)步態(tài)的實(shí)現(xiàn)。
　　 4.對(duì)應(yīng)用在大多數(shù)蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線規(guī)劃中的蛇形曲線Serpenoid曲線進(jìn)行了詳細(xì)研究,分析了影響蛇形曲線形狀的控制參數(shù),針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)形式,并根據(jù)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果選取

6、了蛇形機(jī)器人蜿蜒運(yùn)動(dòng)、左右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)最合理的控制參數(shù)值。在蛇形曲線軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上,對(duì)本文設(shè)計(jì)的Pitch-Yaw型模塊化蛇形機(jī)器人的正弦運(yùn)動(dòng)曲線和左右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該蛇形機(jī)器人能夠根據(jù)合理的控制參數(shù)值,實(shí)現(xiàn)正弦運(yùn)動(dòng)和左右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)曲線,因此說明該蛇形機(jī)器人的模塊化結(jié)構(gòu)是合理可行的。
　　 本文通過理論研究和實(shí)驗(yàn)分析,將對(duì)未來模塊化蛇形機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究提供一定的參考價(jià)值,尤其是對(duì)國內(nèi)仿生類機(jī)器人