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咀嚼机器人建模与控制研究

苌占波  
【摘要】: 咀嚼机器人是一类可以模拟人类咀嚼行为的机器人。它可以真实的复现人类的咀嚼动作并采集分析咀嚼的信息,包括咀嚼力、位移、速度等内容。咀嚼机器人在食品评估、牙科医疗等领域有广阔的应用前景。 本文从人类的咀嚼系统生理结构出发,建立了拟人化的咀嚼机器人模型,并进行了运动学、动力学的数学建模,设计了模糊PID控制器,进行了仿真研究。 首先,本文介绍了咀嚼机器人的发展及研究现状,总结了目前咀嚼机器人研究领域取得的成就和存在的问题,提出了本文研究的内容、目的及意义。 其次,介绍了人类咀嚼系统的结构及组成,建立了拟人化的咀嚼机器人机构模型。从人类咀嚼系统的生理特征出发,建立了六自由度并联咀嚼机器人,上下平台分别模拟了人类的颅骨与下颌骨,六根驱动杆分别模拟了咬肌、颞肌和翼外肌三组咀嚼肌。 接着,基于齐次坐标与向量运算完成咀嚼机器人的运动学建模,基于Lagrange方程对其进行了动力学建模,为后文的控制研究打下基础。 利用Matlab中的机械系统仿真分析模块建立了咀嚼机器人的SimMechanics模型。该模型主要包括三部分:咀嚼机器人的机构模型模块、轨迹跟踪模块和控制器设计模块。轨迹跟踪模块根据运动学逆解,实现咀嚼机器人对特定轨迹的跟踪,控制器设计采用PID控制。 然后,基于Matlab中的模糊逻辑工具箱Fuzzy Logic Toolbox,设计了模糊PID控制器,并应用于咀嚼机器人的控制。模糊PID控制器将模糊理论与PID控制相结合,利用模糊算法的原理,以系统偏差和偏差变化为输入,通过在线调节PID控制过程中参数,优化了控制效果。最后,对本文的工作进行了总结,并讨论了以后的研究方向。


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