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桥梁缆索检测蛇形机器人动力学建模

谭启明  
【摘要】:本文研究蛇形机器人动力学问题,即下述两类问题:1、蛇形机器人动力学正问题,根据各个关节某时刻的驱动扭矩或力,计算蛇形机器人的运动姿态,包括了关节位移、速度和加速度;2、蛇形机器人动力学逆问题,已知蛇形机器人某时刻运动轨迹对应的关节位移,速度和加速度,求解所需的扭矩或力。本文研究目的是为实现蛇形机器人的实时、有效控制提供基础;通过动力学建模,并采用最优控制方法,使蛇形机器人的控制达到良好的动态性能和最佳的指标。 本文的主要内容包括: (1)蛇形机器人本体设计:提出模块化设计和可重构设计原则,设计了蛇形机器人关节模块,选用了HS7950TH数字舵机为源动力,比较了常用的几种模块连接方式,选取了蛇身以正交连接为主,蛇头和蛇尾P-R连接为辅的方式。并设计了多级闭环运动控制系,以及针对该控制系统中的难点,提出了相应的解决办法。本文的动力学研究是在上述设计的机器人本体上进行。 (2)蛇形机器人的蠕动步态动力学建模:采用牛顿-欧拉方法,着重研究了蛇形机器人按照Serpenoid曲线推进的蠕动步态中的动力学建模。并在所建立的动力学模型中,依次计算了舵机的驱动力矩,地面对蛇形机器人的摩擦力,舵机转动所需要的最大力矩,最后延伸到研究蛇形机器人的运动控制。然后对单个关节进行动力学建模,设计了单个关节的位置跟踪控制器,并求解关节的位置和速度,并且对轨迹跟踪进行了仿真实验。 (3)蛇形机器人蜿蜒步态动力学建模:采用微分方法和牛顿-欧拉方法结合起来,分析了地面对其的摩擦力和摩擦力矩,接着求解舵机的驱动力,最后分析了蛇形机器人蜿蜒运动中的轨迹,对关节加速度和沿着前进方向的角加速度进行求解,以便最后求出整个蛇形机器人的运动速度、运动位移和运动方向。


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