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仿壁虎机器人运动控制:力反馈三维传感器及初步反馈行为

宫俊  
【摘要】:仿壁虎机器人作为四足仿生机器人的一个分支,是特种机器人的研究热点。生物壁虎能够在墙面、天花板等负表面上灵活运动,对运动面的适应能力很强。通过对壁虎身体结构和运动方式的观察,使研制的仿壁虎机器人具有壁虎运动的优点,具有广阔的应用前景。 本文首先介绍了爬壁机器人和具有力反馈机器人控制的研究现状和进展。根据对生物壁虎的观察,介绍了仿壁虎机器人的结构设计和驱动方式。对机器人三自由度单腿进行了正向与逆向运动学分析,推导了机器人单腿的运动学方程和运动学逆解,并通过SimMechanics验证了运动学逆解的正确性。设计了仿壁虎机器人控制系统,硬件采用LPC2103微控制芯片,软件平台采用uC/OS-II嵌入式操作系统,提高了仿壁虎机器人的实时性,并且能够通过无线模块MC55传输控制机器人运动的命令。在机器人足端安装了三维力传感器,经静态标定得到三维力传感器的解耦矩阵,并设计了三维力传感器信号放大电路。将仿真得到的步态写入控制系统并进行爬行实验,与仿真结果相比较,验证了控制系统的可行性。 对生物壁虎在墙面爬行的受力进行分析,提出了仿壁虎机器人在墙面爬行的力控制策略。设计了仿壁虎机器人单腿对力/位置的刚度控制算法,通过半实物仿真平台,验证了机器人对足端三维力跟踪算法的可行性。将力反馈控制策略加入机器人控制系统,实现了仿壁虎机器人在墙面的稳定爬行。


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