靈長類仿生機器人懸臂運動仿生與控制策略研究.pdf

1、仿生機器人是從仿生學的角度對機器人進行研究和開發(fā)，其設計原理是提取蘊藏于生物體中、通過生物進化沉積下來的優(yōu)秀的運動學、組織學、形態(tài)學及其綜合作用效果的特性，并將這些特性相對應的結構、形態(tài)、組織以及信息傳遞的方式，通過機械的、電子的、化學的或其它現代科技手段進行某些特定環(huán)境的再現。靈長類仿生機器人作為一類特殊的仿生機器人系統(tǒng)，其仿生懸臂運動控制逐漸成為仿生控制領域富有挑戰(zhàn)性的研究熱點之一。靈長類仿生機器人的“懸臂運動仿生”綜合了非線性控制

2、、功能仿生、實物模擬等諸多具有挑戰(zhàn)性的問題，它對于人類師法自然、拓展作用領域、探究未知具有重要意義。本論文以懸臂運動仿生的非線性控制為理論研究主體，以雙臂式靈長類仿生機器人懸臂運動仿生的非線性控制為應用研究對象，結合國家自然科學基金項目“靈長類仿生機器人懸臂運動仿生與控制策略研究”，針對其懸臂運動仿生過程中的二維懸擺、三維懸擺、動態(tài)懸擺、懸臂飛躍等問題，展開一類靈長類仿生機器人的仿生懸臂運動控制研究。
　　基于拉格朗日算子定義了簡

3、單機械系統(tǒng)，建立了機械系統(tǒng)的動力學模型，討論了機械控制系統(tǒng)的幾種常見類別，即全驅動機械系統(tǒng)、欠驅動機械系統(tǒng)、平滑機械系統(tǒng)和非完整機械系統(tǒng)。在此基礎上，通過分析靈長類動物的懸臂運動機理，利用拉格朗日方程建立了欠驅動雙臂式靈長類仿生機器人的二維與三維懸臂運動仿生動力學模型。
　　針對二維仿生懸臂運動控制，基于滑模變結構控制理論（Sliding Mode Control，SMC）設計了仿生懸臂運動控制策略，完成了欠驅動雙臂式靈長類仿生機

4、器人的水平對稱仿生懸臂運動控制。鑒于SMC控制策略在對于動態(tài)水平非對稱及水平面跨越仿生懸臂運動控制中存在的問題，提出了基于動態(tài)伺服控制（Dynamical Servo Control）理論的仿生懸臂運動控制策略，針對動態(tài)水平非對稱仿生懸臂運動控制，設計了基于SMC的動態(tài)伺服控制器；針對全平面仿生懸臂運動控制，設計了基于能量的動態(tài)伺服控制器，仿真實驗證明了所述控制策略的有效性。
　　針對三維仿生懸臂運動控制，通過分析靈長類動物手腕組

5、成結構，得到雙臂式靈長類仿生機器人進行三維懸臂運動仿生的最簡動力學模型，在此基礎上基于自抗擾控制理論并結合二維仿生懸臂運動控制中的動態(tài)伺服控制策略設計了三維仿生懸臂運動控制器，有效地實現了三維仿生懸臂運動控制。針對懸臂飛躍運動仿生控制問題，基于角動量守恒原理，考慮雙臂式懸臂運動仿生機器人進行仿生懸臂飛躍時目標點的位置，規(guī)劃系統(tǒng)的空中姿態(tài)以及身體旋轉，基于逆運動學分析方法，獲得起飛時刻系統(tǒng)位姿，提出了基于分層滑模控制的起飛前懸臂運動仿生姿

6、態(tài)控制策略，實現了懸臂飛躍運動仿生控制。
　　最后，針對一套雙臂式靈長類仿生機器人系統(tǒng)，設計了易于工程實現的非線性控制器。進行了基于虛擬樣機技術（ADAMS-MATLAB）的準實物與實物實驗研究，針對實物系統(tǒng)的物理參數，基于卡爾曼濾波方法進行了參數辨識；并基于動態(tài)伺服控制策略分別對常規(guī)仿生懸臂運動控制及動態(tài)仿生懸臂運動控制，進行了實物實驗驗證，實驗結果表明：所設計的控制方案可有效的實現雙臂式靈長類仿生機器人的全平面仿生懸臂運動控制