可变形六足仿生机器人运动分析与控制研究

摘要

近些年，在星际探测、复杂地形的抢险救灾、海底作业、野外监测、军事侦查等特殊危险作业行业中，任务难度越来越高，不适合人类去完成，这促使人们不断研究机器人技术，用机器人代替人类去完成艰巨的任务。本文针对带有变形关节的新型六足仿生机器人，深入研究了其单腿运动学、动力学和运动控制及并联机身运动学。主要工作如下：
　　（1）利用旋量理论与指数积方法建立腿部运动学模型并给出了运动学显式逆解，针对腿部后两关节轴线交于一点的特点，结合经典消元理论和 Paden- Kahan子问题方法计算其运动学显式逆解；基于旋量法计算摆动腿的雅可比矩阵，仿真结果验证了其正确性。
　　（2）为了提高六足机器人腿部控制的平稳性、动作快速性，利用五次B样条曲线进行了关节空间轨迹规划，从而使关节运动的速度、加速度和脉动连续。利用B样条曲线的凸包性把腿部关节速度与加速度的曲线约束转化为对曲线控制顶点的约束。
　　（3）当六足机器人处于三足支撑阶段时机体为3-URR并联机构，利用旋量理论和指数积方法建立其正运动学模型，利用消元理论和 Paden- Kahan子问题方法建立其逆运动学模型，为进行六足机器人并联动力学分析和控制打下基础。
　　（4）利用Kane动力学分析方法，建立了机器人单个可变形腿的逆动力学模型；可用于单个可变形腿运动控制器的设计；分析了关节转动速度和转动加速度对驱动力矩产生的影响，并分析了各关节驱动力矩中惯性力矩、向心力矩、哥氏力矩及重力矩所占的比例，分析结果有助于进一步规划机构的运动，优化机构设计和选择适当功率的电机。
　　（5）设计了计算力矩加RBF神经网络复合控制器，其中计算力矩是已建模的部分，神经网络补偿动力学模型中未建模部分、结构参数的测量误差以及外部扰动。采用仿真和实验对腿部的轨迹跟踪控制进行了验证，结果表明了该控制器跟踪精度高，控制性能优良。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1国内外足式仿生机器人的研究概况

1.2 可变形六足仿生机器人运动分析与控制研究

1.3本论文主要研究内容简述

第二章 新型可变形六足机器人运动学研究

2.1 摆动腿运动学建模

2.2 足端可达空间分析

2.3 步态规划

2.4足端轨迹规划研究

2.5 并联运动学建模初探

2.6 本章小结

第三章 新型可变形六足机器人动力学研究

3.1动力学分析方法比较

3.2腿部动力学研究

3.3动力学仿真

3.4 本章小结

第四章 新型可变形六足机器人控制研究

4.1计算力矩控制器

4.2 计算力矩+神经网络控制器设计

4.3六足机器人单腿摆动MATLAB与ADAMS联合仿真

4.4本章小结

第五章 六足仿生机器人系统搭建和实验

5.1六足机器人控制系统设计

5.2 六足机器人腿部运动学模型验证

5.3 六足机器人腿部重复定位精度分析

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢