丝驱动连续型机器人的建模与避障控制

摘要

连续型机器人是一种基于章鱼触手、象鼻等生物器官仿生的新型机器人,其不具有刚性连杆和离散关节,因而具有优越的柔顺性和灵活性,在微创手术、狭小环境探测救援、空间操作等领域具有非常广阔的应用前景,逐渐成为新的研究热点.然而它的柔顺性和超冗余的特点也给连续型机器人的建模和控制带来了极大的考验.针对以上问题,搭建多模块丝驱动连续型机器人物理样机,并基于堆叠的两自由度并联机构拟合机器人本体构型,利用D-H参数法分析其运动学和速度雅可比矩阵,基于集中质量原理建立其牛顿-欧拉动力学模型,进而通过末端位置反馈搭建连续型机器人的闭环控制系统.面对多障碍的复杂环境,通过构造障碍势函数评估机器人与障碍物之间的距离变化,在机器人轨迹控制中,合理地选择运动学求逆运算时的雅可比矩阵零空间变量,控制机器人在机械臂本体改变构型躲避障碍物的同时末端保持轨迹跟踪.分别对机器人进行末端轨迹跟踪与避障控制的仿真和实验验证,观察机器人的末端轨迹误差与构型变化,以评估机器人模型、控制闭环与避障算法的正确性.仿真和实验结果均表明机器人具有良好的运动控制和避障能力.该研究工作为连续型机器人在复杂实际应用环境中的构型控制和安全操作提供了思路与方法支持.