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仿生机器蟹两栖步行机理与控制方法研究

陈东良  
【摘要】:本文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两栖步行机理和基于复杂障碍环境行走的控制方法。在开篇论文对国内外相关研究的现状以及近年来多足步行机结构设计、控制方案以及步态机理研究方面的文献进行了综述。 围绕研制一台以河蟹为生物原形的多足仿生机器人这一目标,对机器人机构本体设计、几何模型的建立、变结构力觉传感器的设计、两栖运动学模型和动力模型进行了分析,以及运动控制系统的搭建,基于力觉反馈的障碍物反射控制的进行了研究。对机器蟹组成进行了总体的介绍。 首先,在建立机器蟹生物模型的基础上,综合分析了常见的多足步行机器人关节形式和驱动方式。总结以往设计中的缺陷,对蟹足的结构进行了改进,并综合考虑多足机器人灵活性要求,设计了机器蟹本体结构方案、对蟹足进行合理的仿生布置,在此基础上进行了机构分析。这对密封方案的要求,两栖仿生机器蟹采用了整体式柔性腔体密封,根据两栖仿生机器蟹的本体结构,采用快速成型技术进行了模具设计。通过查阅大量的资料和实验研究,研究出分体式的密封外衣的粘结技术。通过密封后的水下实验观察,验证了整体式柔性腔体密封方案的可行性和可靠性。密封效果好,应用性强。 此外,根据机器蟹控制性能的总体要求,制定了分阶三层控制系统的方案。主要完成了下层系统中驱动电路、直流电机双闭环控制、力传感器、超声波传感器、电子陀螺的信号采集处理、总线通讯等软硬件模块的设计。并提出以反射模型作为机器蟹实时反馈外界环境信息,对机器蟹步态进行控制。 而后,根据机器蟹步行的特点,将机器蟹的步行分成陆地步行和水中步行两种运动状态,对机器蟹的两栖运动机理进行研究。对于机器蟹的陆地步行情况,首先将单腿步行足的几何模型,运用D-H坐标法得到其运动学的正反解。对着地腿与地面形成的并联机构进行了运动学分析,运用并联机构影响系数的分析方法,得到身体平台的速度与各关节转角速度之间的关系式。


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