蛇形機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動控制研究.pdf

1、蛇形機器人是仿照生物蛇的結(jié)構(gòu)特點與運動機理而研制出的一種高冗余度的仿生機器人。相對于足式、輪式及履帶式等類型的移動機器人，蛇形機器人體積較小，運動形式多樣，具有較強的地面適應(yīng)能力，在災(zāi)后救援、軍事偵察、星際探索等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以蛇形機器人為研究對象，設(shè)計了一種具備一定越障能力的新型蛇形機器人。
　　首先，設(shè)計了蛇形機器人本體結(jié)構(gòu)，本文分析了生物蛇的骨骼結(jié)構(gòu)特點與常見的運動形式，并對蛇形機器人的平面運動受力情況進行了分

2、析，得到了蛇形機器人能夠順利實現(xiàn)平面運動的力學(xué)條件。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了蛇形機器人關(guān)節(jié)模塊，合理選擇了關(guān)節(jié)驅(qū)動方式與動力源，根據(jù)蛇形機器人輕量化的要求，選用密度小強度高的聚甲醛樹脂作為蛇形機器人的材料。建立了蛇形機器人的三維模型，并利用有限元分析軟件對蛇形關(guān)鍵零部件進行了有限元分析。
　　其次，完成了蛇形機器人運動規(guī)劃，本文對蛇形機器人的蜿蜒運動、轉(zhuǎn)彎運動和抬頭運動進行了研究，并且著重研究了蛇形機器人蜿蜒運動控制函數(shù)中各個參數(shù)對機器人

3、運動波形和運動速度的影響。為了提高蛇形機器人的越障能力，本文提出了一種蛇形機器人新型運動形式：蜿蜒-尺蠖運動。在Adams中建立了蛇形機器人虛擬樣機，通過仿真實驗驗證了控制方法的有效性。
　　然后，設(shè)計了蛇形機器人控制系統(tǒng)，通過分析蛇形機器人集中式控制系統(tǒng)與分布式控制系統(tǒng)兩種控制方式的優(yōu)缺點，確定了蛇形機器人主從式分布控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，并在此基礎(chǔ)上選取了控制系統(tǒng)硬件。本文還利用C++語言編寫了蛇形機器人在線控制程序，利用Ardu

4、ino語言編寫了蛇形機器人離線運動控制程序。本文還設(shè)計了蛇形機器人圖像采集系統(tǒng)，通過合理選擇攝像頭與無線傳輸模塊，解決了蛇形機器人圖像采集與傳輸問題，使機器人實現(xiàn)了視頻監(jiān)視、偵查功能。
　　最后，在加工裝配完成的蛇形機器人樣機上進行了實驗。驗證了蛇形機器人本體結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的可靠性，并且通過蛇形機器人樣機實現(xiàn)了蛇形機器人的蜿蜒運動、轉(zhuǎn)彎運動、抬頭運動以及越障運動。針對蛇形機器人的蜿蜒運動，選取了不同的控制參數(shù)，通過大量的實驗進一步