蛇形机器人蜿蜒运动控制分析

针对蛇形机器人的蜿蜒运动控制,首先分析了关节角度约束对运动控制函数参数取值的限制,确定了满足机械结构的运动控制参数范围;之后在Adams仿真环境下,建立蛇形机器人的三维虚拟运动模型,进行蜿蜒运动仿真,通过分析幅值控制参数对蛇形机器人弯曲度、运动速度和运动轨迹偏移的影响,提出了调整幅值参数的方法;实验结果表明,调整方法的有效性,从而实现蛇形机器人蜿蜒运动控制的优化。     

基于乐理的蛇形机器人控制方法研究

根据生物蛇和蛇形机器人的结构及运动特点,提出了基于乐理的蛇形机器人控制方法,定义了乐理的符号、规则与蛇形机器人控制过程的对应关系,编写了蜿蜒运动步态谱.“勘查者—I”蛇形机器人上实现了蜿蜒运动的控制. 给出了今后的研究方向．     

基于循环抑制CPG模型控制的蛇形机器人蜿蜒运动

根据生物蛇和蛇形机器人的结构及运动特点,应用循环抑制CPG建模理论构建了蛇形机器人神经网络模型;利用蛇形机器人模型,仿真验证了CPG模型对蜿蜒运动控制的有效性;提出并仿真验证了实现有目的转弯控制的CPG参数调节方法。最后,给出了今后的研究方向。     

仿生蛇形机器人的设计及研究

对蛇的身体结构和运动形态进行了分析,掌握了蛇的运动模型,分析了蛇在蜿蜒运动过程中的受力情况。通过对蛇行运动的研究,结合结构设计、控制系统设计等,设计一条13关节的仿生机器蛇,实现蜿蜒前进、转弯、蜷缩、抬头等动作。并对仿生蛇的设计提出一些看法,结合实际,对其未来发展提出建议。     

蜿蜒步态下的蛇形机器人路径跟踪控制研究

在面向灾区救援等针对蛇形机器人蜿蜒运动的直线路径跟踪效果差的问题,本项目提出基于滑模控制理论的方向控制器,有效收敛了蛇形机器人在稳态时的运动误差。针对蛇形机器人头部晃动影响头部传感器获取有效数据的难题,创新地提出基于补偿函数的头部控制方法,使得蛇头的运动方向与蛇身整体的运动方向一致,保证了蛇头相机拍摄的可读性和传感器测量的准确性,便于机器人准确地感知环境,确保在转弯时机器人整体呈蛇形曲线。     

基于角度对称性调节的蛇形机器人路径跟随方法

为了控制蛇形机器人在摩擦系数未知的地面上跟随期望路径,提出基于角度对称性调节的路径跟随方法.根据运动学分析可知,若关节角度对称变化,则机器人运动方向不发生改变;否则,其运动方向可以发生改变.基于该思想,在力矩控制中设置一个参数,可根据目标点与机器人的位置进行调节,并控制关节角度的对称性.将目标点设置在期望路径上,并且随着机器人的运动,目标点沿着期望路径不断地更新.当机器人没有沿着期望路径运动时,方向参数呈不对称变化.通过负反馈控制使其不对称程度减小直至消失,从而使机器人沿着期望路径运动.最后在不同未知摩擦系数的地面上进行了仿真,得到的轨迹和误差结果显示机器人能够根据期望路径调整运动方向,说明该方法不仅能跟随期望的直线和曲线路径,而且可以在发生侧滑时完成路径跟随任务.     

基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的步态控制

针对生物蛇不同步态的运动特点,提出了一种基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的中枢模式发生器(CPG)运动控制方法.首先,利用具有非线性极限环特性的耦合的Hopf振荡器构建出能够实现蜿蜒运动和侧向蜿蜒运动两种步态的链式网络模型.然后,根据动力学仿真软件建立机器人的虚拟样机,利用模型中振荡器的输出作为蛇形机器人分布式多冗余度关节的控制信号来驱动前进,成功实现了以上两种运动方式,并讨论了CPG的模型参数与机器人前进速度的关系.最后,在实物样机上的实验进一步验证了所提出的方法在实现蛇形机器人多种步态控制方面的有效性.     

蛇形机器人侧向运动的研究

本文提出了一种新型蛇形机器人机构，建立了其空间运动学模型，实现了蛇形 机器人的两种侧向运动：侧向蜿蜒运动和侧向滚动，前者通过调节两个异相波的频率比，实 现了任意方向的侧向运动．后者通过控制运动波的幅值变化，实现了各种形式的纯侧向移动 ，当幅值足够大时，这种侧向滚动可以跨越障碍．     

蛇形机器人的波形能量控制

蛇形机器人的步态控制理论大部分基于波的传递形式,借助自制蛇形机器人的结构对波传递过程中能量传递的过程进行了研究。根据蛇体三维运动特性,蛇游行时有前行、侧行两种基本形态,其他的运动模式均基于此两种形态。对蛇体运动形态进行控制,主要是在波形类型中采用波形正负交替（等峰值、差峰值）和行波（正弦波、三角衰减波）等进行蛇体运动控制,实现了机械蛇的蜿蜒游动控制。     

基于路径边沿引导策略的蛇形机器人路径跟踪方法

为了控制蛇形机器人在路径边沿的引导下沿着期望路径运动,在基于角度对称性调节的方向控制方法的基础上,提出路径边沿引导策略.随着蛇形机器人的运动,路径的2个边沿交替作为有效边沿.利用传感器检测有效边沿,根据有效边沿获得临时目标点.临时目标点随着机器人的运动沿有效边沿不断更新.不断更新的临时目标点确定了路径的延伸方向.将临时目标点引入方向控制参数,从而使机器人根据路径边沿调节运动方向.仿真显示蛇形机器人能够在摩擦系数未知的地面上根据路径边沿调整运动方向.仿真结果验证该方法不仅能实现蛇形机器人跟踪期望路径,而且能实现蛇形机器人跟踪期望路径的中心线.     

新型蛇形机器人蜿蜒运动的动力学分析

为提高蛇形机器人执行各种运动的能力,研制了新型蛇形机器人系统．重点研究了该蛇形机器人的动力学．建立了机器人的运动学模型,并根据运动学模型提出了控制蛇形机器人蜿蜒运动的复合运动控制方法．用拉格朗日方法建立动力学模型,对不同参数下蛇形机器人的关节力矩特性和摩擦力特性进行了分析比较,为蛇形机器人的有效运动提供了理论依据．     

基于循环抑制CPG 模型控制的蛇形机器人三维运动

具有三维运动能力和独特的节律运动方式,使生物蛇能在复杂的地形环境中生存. 大多数动物节律运动是由中央模式发生器(Central pattern generator, CPG) 控制的. 以此为理论依据, 首次以循环抑制建模机理构建蛇形机器人组合关节运动控制的CPG 模型. 证明该模型是节律输出型CPG 中微分方程维数最少的. 采用单向激励方式连接该类CPG 构建蛇形机器人三维运动神经网络控制体系,给出该CPG 网络产生振荡输出的必要条件. 应用蛇形机器人动力学模型仿真得到控制三维运动的CPG 神经网络参数,利用该CPG 网络的输出使\勘查者"成功实现三维运动. 该结果为建立未探明的生物蛇神经网络模型提供了一种全新的方法.     

基于Webots的蛇形机器人翻滚运动仿真及实现

针对蛇形机器人的侧向翻滚运动,给出一种建立正交关节蛇形机器人三维空间运动模型的方法,提出了一种更为简单的实现蛇形机器人侧向翻滚运动的舵机输入函数.通过选择不同的控制参数,可以实现蛇形机器人"U"字形和"V"字形侧向翻滚运动.在Webots移动机器人仿真软件上进行正交关节蛇形机器人翻滚运动仿真,并在蛇形机器人本体上进行试验,验证了所提控制规律的有效性.     

Analysis of Creeping Locomotion of a Snake-like Robot on a Slope

The diverse locomotion modes and physiology of biological snakes make them supremely adapted for their environment. To model the noteworthy features of these snakes we have developed a snake-like robot that has no forward direction driving force. In order to enhance the ability of our robot to adapt to the environment, in this study we investigate the creeping locomotion of a snake-like robot on a slope. A computer simulator is presented for analysis of the creeping locomotion of the snake-like robot on a slope, and the environmentally-adaptable body shape for our robot is also derived through this simulator.     

基于动力学与控制统一模型的蛇形机器人速度跟踪控制方法研究

对带有被动轮的蛇形机器人进行速度跟踪控制时,利用传统的动力学建模方法得到的动力学方程复杂且不利于控制器的设计. 本文基于微分几何的方法将带有被动轮的蛇形机器人动力学投影到速度分布空间中, 得到了动力学与控制统一模型, 更有利于速度跟踪控制器的设计. 考虑到蛇形机器人在进行速度跟踪时容易出现奇异位形, 提出增加头部扰动速度的方法. 基于头部扰动速度和统一模型, 提出避免奇异位形的速度跟踪控制方法, 最后通过逆向动力学得到控制力矩. 文中对速度跟踪控制进行了数值仿真和实验验证. 仿真和实验结果表明, 提出的速度跟踪控制方法能够跟踪想要方向的速度, 并且在跟踪过程中可以有效地避免奇异位形.     

基于CPG的沙漠蜘蛛机器人多模式运动控制方法

模仿具有多种运动模式的沙漠蜘蛛,设计了本体为双层六杆5R闭链机构的仿蜘蛛机器人,其中16个主动关节由直流伺服电机控制．提出了基于Hopf振荡器的中枢模式发生器（CPG）运动控制模型,用于实现仿蜘蛛机器人的翻滚、爬行、侧滚等多种运动模式以及步态切换．利用Matlab和ADAMS对仿蜘蛛机器人的多模式运动进行动力学仿真,结果表明机器人可实现连续平稳的翻滚、爬行、侧滚运动,验证了CPG仿生控制方法应用于闭链机器人多模式运动的可行性．     

仿蚯蚓蠕动微机器人牵引与运动控制

为进入人体腔道开展作业,开发了一种直径6mm的仿蚯蚓多关节蠕动微机器人样机．机器人使用十字万向节连接直线驱动器,在弯曲腔道中能自适应改变自身姿态．基于Preisach模型和偏转模型,提出了形状记忆合金偏转机构的前馈控制方案,头舱控制最大偏转误差为2.6°．基于新型蠕动原理,建立了牵引模型,给出了有效驱动的条件．对机器人的牵引力、运动速度、在不同摩擦系数介质表面上的运动能力、头舱姿态进行了试验．结果表明,机器人的爬坡能力依赖于机器人和运动表面间的摩擦系数,新型蠕动原理能提供较大的牵引力,合适的驱动频率下可以得到最大的运动速度．     

一种具有三维运动能力的蛇形机器人的研究

分析了生物蛇的3种典型运动模式,介绍了研制出的具有三维运动能力的蛇形机器人,实现了生物蛇的3种典型运动模式．