仿生蛇形机器人在典型环境下的多模式运动控制

作     者：韩民瀚 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋兴国

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：仿生蛇形机器人 攀爬台阶 穿越障碍 自适应外力控制 步态优化 

摘      要：各种各样的机器人在人类社会中逐渐产生着越来越重要的作用,而仿生机器人模仿动物的运动方式,在探索未知环境、灾后救援以及战场侦察等复杂的环境中更具有天然的优势。蛇形机器人是模仿生物蛇的结构特点和运动方式的一种机器人,具有细长的身体和高度的灵活性,适应于崎岖复杂的自然环境和人类难以进入的狭窄空间,但其在具有多障碍物的复杂地形中的运动适应性较差。本文对仿生蛇形机器人在复杂环境下的多模式运动行为控制进行研究,由于目前对于蛇形机器人在具有较高的台阶障碍物以及狭窄障碍物的三维地形中的运动研究仍有所欠缺,因此本文主要对蛇形机器人穿越以上两种三维障碍物地形的方法进行了研究,主要工作如下:(1)根据生物蛇的身体结构和运动机理,分别针对台阶障碍物环境和狭窄障碍物环境设计了两种蛇形机器人样机。一号样机关节正交连接并采用主动轮驱动,攀爬台阶障碍物时能够提供足够的动力;二号样机关节能在平行连接和正交连接之间切换,并在机器人每个关节上的每一面都覆盖了被动轮以增加狭窄障碍物环境的通过率。(2)介绍了蛇形机器人的基本仿生运动,对机器人的平面运动进行了关节受力学建模和分析,将适用于蛇形机器人平面运动的控制函数扩展为三维运动函数并基于运动函数实现了蛇形机器人基本仿生步态的控制,利用仿真软件对几种基本运动方式进行了仿真验证。(3)对于台阶障碍物地形,本文提出了一种基于主动轮式的蛇形机器人自主爬越台阶障碍物的方法。通过激光测距传感器对台阶障碍物进行感知并计算其高度,进而通过主动轮驱动爬越台阶障碍物。机器人利用此方法能够完全自主地检测台阶障碍物并爬上或爬下高276mm(占蛇形机器人体长的33%)的障碍物而不需要人为控制。(4)对于狭窄障碍物地形,本文通过对机器人关节与障碍物碰撞时的受力分析,建立了自适应外力动力学模型,设计了基于负载检测的自适应外力PD控制器,能够根据关节受力改变其角度,使得机器人能够自动适应所处地形,避免被障碍物卡住,利用此控制器能够让蛇形机器人穿越65mm(机器人宽度的125%)宽的狭窄短距离障碍物地形。设计了一种蛇形机器人穿越复杂的狭窄障碍物地形的步态转化策略,使机器人在穿越复杂狭窄障碍物地形时能够自动切换步态以穿越最窄60mm宽的障碍物地形。(5)在机器人样机上实现设计的步态和控制方法并搭建实验所需的障碍物环境。对机器人的基本仿生步态进行实验观察,在搭建的障碍物环境中对机器人爬越台阶控制方法和穿越狭窄障碍物策略进行实验分析,以检验本文提出的控制方法的实际性能。