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仿生机器蟹步行机理分析及控制系统研究

袁鹏  
【摘要】:由于机器人具有可靠性高、适应性强、功能强大的特点使其成为执行高危险军事任务的理想平台,具有两栖功能的军用机器人更是该领域研究的前沿课题。 本课题来源于国家自然科学基金项目“两栖仿生机器蟹基础技术研究”,主要研究内容是机器蟹样机总体方案和控制系统设计以及步行机理分析和步态控制方法。 首先论文对国内外相关研究的现状以及近年来多足步行机步态研究方面的文献进行了综述。 通过对螃蟹步足结构的仿生抽象,建立了蟹足机构模型,优化设计出了步行足的结构参数,在此基础上进一步设计出了仿生机器蟹样机的机械本体结构。然后根据两栖仿生机器蟹控制系统设计的总体要求,在对两栖仿生机器蟹行为分解的基础上提出了多层多目标递阶分布式的总体控制框架,在该框架基础上选择DSP作为核心控制器件建立起了整个系统的硬件结构并进行了整个控制系统的设计。 对仿生机器蟹的单足轨迹规划问题进行了研究,提出了多项式逼近的轨迹规划算法,给出了摆动相和支撑相时足尖点轨迹关于时间的多项式表达式。针对所建立的仿生机器蟹结构,推导出了反解关节角公式。建立了单步行足控制实验系统,进行了单足控制实验,验证了单足控制方法及足尖点轨迹规划方法的可行性。 在对蟹的步态观察实验基础上,用Porta法对八足步态状态进行了定义和分类,绘制出了八足步态状态转换图。对八足波形步态进行了分类,并通过步态状态分析,得出了对任意八足波形步态R=4的结论,研究了波形步态之间的转换,给出了八足波形步态状态转换图及波形步态间转换的方法;研究了双四足步态的获得问题,得出了对任意处于R=4步态状态的初始条件,都可以通过执行有限次摆动相时间恒长的交替式迈步运动获得双四足步态的结论。 基于生物节律性运动是由脊髓中的CPG功能模块控制的事实提出了对多足步态的CPG控制概念。结合计算机仿真对Lakshmanan和Murali的神经 哈尔滨工程大学博士学位论文 元轴突的非线性振荡模型进行了分析,考察了其二次H叩f分岔特性以及各 参数对振荡特性的影响。以该振荡神经元模型为基础建立了两栖仿生机器蟹 的八足控制的CPG模型,并利用该模型通过仿真实现了八足步态的生成。 仿真结果证明所建立的CPG模型能够做为仿生机器蟹的步态生成和控制模 块。 本论文所设计的仿生机器蟹可以为多足步行机理论研究提供一个试验 平台。文中对步态分析和步态生成机理的研究成果具有普遍性,对多足步行 机研究具有一定的参考价值。 关键词:仿生机器蟹;步态;CPG;控制系统;DSP;轨迹规划


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