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类壁虎机器人的仿生控制:从行为观测到控制实现

李宏凯  
【摘要】:类壁虎机器人具有地面状态适应性好、越障能力强、可实现多种方式的运动等轮式运动工具所不具备的优点,并且机器人体型小,隐蔽性好,在军事侦察、灾难和狭小空间搜救等非机构环境下具有良好的应用前景。 用三维运动行为观测系统,观测了大壁虎在水平面和垂直面上的小跑和行走的运动行为。水平小跑时,前肢大腿在抬起与下落的幅度均比走动时大,从而减少了摆动相中肢体与障碍物的碰撞以及支撑相身体与地面接触产生摩擦的几率。支撑相抬起角度比水平行走时小,肢体仅需克服重力使身体离开地面并产生前进的推动力,使大壁虎的肢体运动方式比较灵活。在垂直面上,随速度的增大后肢的摆动角幅度明显增大,主要表现在后伸展的方向上,而前伸时的幅度则相差不大。为了减小颠覆力矩,处于支撑相的肢体尽量在过髋关节平行于体平面的平面之下摆动以减小质心与垂直面的距离,摆动相前后肢减小与身体的距离以减小惯量的影响。通过对两种平面上小跑时足端的轨迹分析发现,尽管大壁虎的前后肢长短不一样,但在运动过程中几乎保持了相同的步长,前后足在摆动相完成了运动方向的过渡,并在进入支撑相之前已经开始了匀速的向后摆动,为机器人的运动协调控制提供了仿生学基础和启示。 分析了类壁虎机器人的运动机构特征,进行了机器人的单腿正逆运动学分析,得到了足端相对肩(髋)关节的角度空间和工作空间的变换关系,根据大壁虎运动观测实验的结果提出了一种满足运动协调的足端轨迹规划方法,为机器人的控制协调提供了理论基础。根据四足机器人的特点,设计了机器人的控制系统结构。采用分布式的控制系统构架,各条腿由单独的控制器控制,主控制器负责控制指令的接收、解析和四条腿运动的规划和协调。运动控制指令通过无线方式发送。结合机器人足端不同的运动规划方法采用了不同的选型方案,并成功实现了无线运动控制系统。 利用商用无线移动服务,实现了无线远程视频图像和机器人运动控制指令传输系统。系统选用了性能强、速度高的双核DSP处理器和CDMA无线通信模块。在嵌入式操作系统平台下,摄像头模拟信号通过视频解码器进行数字化,经处理器转换为适合观看的格式,之后图像经压缩成MPEG-4格式,数据流通过CDMA无线模块发送。客户端软件与机器人端建立的通信链路,接收视频数据并播放图像。根据机器人工作环境改变发送机器人运动指令,从而实现了机器人工作环境的远程监控和运动的远程控制。 本文通过上述工作,对大壁虎的运动行为、机器人运动学、运动控制系统、视频图像和运动控制指令的无线远程传输进行了研究,实现了类壁虎机器人的无线远程视频监控和运动控制。


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