蛇形仿生机器人运动控制研究

摘要

生物蛇的蛇体十分柔软，在运动中可根据周围情况变换自己的运动方式。蛇形机器人是根据蛇体的构造方设计出的仿生机器人，并通过在对蛇的运动原理分析后，实现对蛇类运动的模仿。人们发现蛇类的运动方式和蛇体的特殊构造可以用来帮助我们解决军事、救援、医疗、工业等多种环境的需要。因此许多科研人员的开始关注蛇形机器人并进行了深入的研究。
　　本文主要从以下4部分进行研究:
　　(1)蛇形机器人的构型和实现:通过分析生物蛇骨骼之间的连结机理、运动方式的原理后，通过对其骨骼连结简化得到的可以实现的结构方式。蛇形机器人的结构设计主要包括:模块间的连结方式、执行机构的选择及结构形式、控制系统方案等方面的内容。本文设计了一种结构简单、成本较低，可以灵活运动的16关节蛇行机器人的结构框架，并完成了多种运动方式。
　　(2)运动规划算法:本文确定了以Serpenoid曲线为基础，结合插值思想将蛇的波浪式运动量化为可以编制程序的数据，这样就可以得到不同运动规划方案中所需要的运动数据。本文中的蛇形机器人实现了“弓”形爬行、左右翻滚、直线运动、左右侧向移动和捕食等多种运动方式。多种运动方式的完成验证了以Serpenoid曲线为基础的插值思想，在运动规划中的方便性和有效性。
　　(3)避障运动的实现:为了使蛇形机器人真正走向实际应用，避免其在复杂的环境中与障碍物相碰撞。通过对蛇形机器人在障碍物环境中的运动规划分析后，决定在原来蛇形机器人的运动基础上加上传感器，以蠕动前进和侧向移动结合以躲避障碍方案，实现了蛇形机器人自主避障的功能。
　　(4)实验结果与分析:从生物蛇在运动过程中蛇体曲线的变化规律出发，结合蛇形机器人完成的上述多种运动方式进行分析，给出了蛇形机器人自身模拟蛇类运动的规律。
　　本文设计一种构造方式简单，成本较低，在算法上运用插值思想来实现蛇形机器人在非障碍物环境中的运动规划，为蛇形机器人在具体应用领域的功能化、实用化有着重要意义。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题研究的背景

1．2 国内外蛇形机器人研究现状

1．2．1 国外蛇形机器人研究现状

1．2．2 国内蛇形机器人研究现状

1．2．3 目前国内外蛇形机器人研究概括

1．3 蛇形仿生机器人的研究内容

第2章 蛇形机器人机构设计和实现

2．1 引言

2．2 蛇类的运动研究

2．3 机构设计

2．4 舵机

2．4．1 舵机的介绍

2．4．2 舵机的原理

2．4．3 舵机的选取

2．4．4 舵机调试终端

2．5 控制系统介绍

第3章 蛇形机器人控制理论

3．1 蛇形机器人运动规律

3．2 基于蛇形曲线理论控制方案的分析

3．3 插值思想的应用

第4章 蛇形机器人在非障碍物环境中运动规划

4．1 爬行运动分析

4．2 翻滚运动分析

4．3 捕食运动分析

4．4 蠕动动作

4．5．侧向运动分析

4．6 小结

第5章 蛇形机器人在障碍物环境中运动规划

5．1 引言

5．2 路径规划的常用方法

5．2．1 路径规划以及运动方案对比

5．2．2 蛇形机器人两种避障方案的对比与选择

5．2．3 传感器

5．3 蛇形机器人在障碍物环境中的运动规划

5．3．1 运动规划

5．3．2 自主避障的最终实现

5．4 小结

第6章 总结

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢