基于微分几何的蛇形机器人移动与操作统一动力学模型研究

蛇形机器人本体是一种多关节串联机构,可以在各种环境中运动,并且当一端固定时可以实现操作.本文提出一种蛇形机器人移动与操作的统一动力学建模方法,统一蛇形机器人移动状态及操作状态的动力学方程.机器人从移动状态到操作状态的转换意味着机构上的重构,即移动状态无固定基座,而操作状态有固定基座.应用虚设机构法在机构学上统一这两种状态(即构形空间中的嵌入关系),利用指数积公式描述这两种状态的运动学方程.在Riemann流形上建立起蛇形机器人移动和操作的动力学模型,并在对动力学模型中各项计算分析的基础上发现机器人操作动力学方程可直接由移动动力学方程退化得到,同时应用子流形的Gauss公式给出证明.由此在微分几何框架下建立蛇形机器人移动与操作的统一动力学模型.按照几何的观点将蛇形机器人移动与操作动力学模型的统一看作是子流形问题,并赋予几何意义.较单独针对蛇形机器人的一种状态(移动或操作)的动力学模型而言,这种统一的动力学模型能够更深刻地揭示蛇形机器人动力学的特征.     

基于改进蛇形曲线的蛇形机器人在流场中避障的轨迹跟踪控制律

针对蛇形机器人在流场中各关节之间的轨迹跟踪问题,研究一种基于改进蛇形曲线的蛇形机器人在流场中避障的轨迹跟踪控制律.首先,考虑流体环境可能施加在蛇形机器人系统上的外部干扰,采用浸入边界-格子Boltzmann方法(IB-LBM)在流场中建立障碍通道和蛇形机器人的流固耦合模型.然后,对蛇形机器人加入势函数,使其可以避开障碍;并采用改进的蛇形曲线方程使机器人尾部各关节跟踪头部的运动轨迹.最后,通过Matlab仿真和实验,研究不同流场密度、机器人尾部摆动频率以及流场雷诺数等参数对蛇形机器人轨迹跟踪的影响.理论分析和数值仿真表明,所设计的轨迹跟踪控制律不仅可以使蛇形机器人在遇到障碍时各关节跟踪前一关节的运动轨迹,而且还能使横向距离、纵向距离及方向角趋于稳定,达到有效避障的目的.此外,蛇形机器人在离开障碍通道后,各关节可以恢复蛇形曲线的运动形式,为蛇形机器人提供源源不断的前进动力.仿真和实验结果验证了轨迹跟踪控制律的有效性.     

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。     

基于形态学的蛇形机器人运动步态算法研究

基于蛇形机器人运动形态学,利用扩展Frenet-Serret分析了一种蛇形机器人运动的几何模型,并根据这种几何模型研究了一种确定蛇形机器人的运动步态规律的算法,称之为EFSA(extended frenet-serret algorithm)算法.用这种算法规划了无轮蛇形机器人的基本运动步态,而且重要的是实现了蛇形机器...     

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．     

机器人奇异位形控制方法的研究

本文针对机器人运动学反解的一般分析方法进行了介绍，并指出了各自的优缺点，最后指出了机器人奇异位形的研究热点。     

空间机器人柔性臂的动力学轨迹跟踪控制

机器人柔性擘控制问题是目前机器人研究中的一个重点和难点，本文动用基于关节的求逆技术，得到了有关大质量负载的空间机器人柔性臂动力学轨迹跟踪非线性控制问题的有效方法，并以一平面二杆空间机器人柔性臂为例进行了控制的仿真研究，仿真研究的结果表明，该方法具有较高的可靠性和良好的控制效果。     

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。     

Tracking Control for a Cushion Robot Based on Fuzzy Path Planning With Safe Angular Velocity

This study proposes a new nonlinear tracking control method with safe angular velocity constraints for a cushion robot. A fuzzy path planning algorithm is investigated and a realtime desired motion path of obstacle avoidance is obtained. The angular velocity is constrained by the controller, so the planned path guarantees the safety of users. According to Lyapunov theory, the controller is designed to maintain stability in terms of solutions of linear matrix inequalities and the controller's performance with safe angular velocity constraints is derived. The simulation and experiment results confirm the effectiveness of the proposed method and verify that the angular velocity of the cushion robot provided safe motion with obstacle avoidance.      

基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法的仿真与实验研究

能量作为最基本的物理量之一, 联系着蛇形机器人蜿蜒运动的各个方面. 能量耗散描述了环境交互作用, 能量转换对应着运动的动力学过程, 能量平衡反映了蜿蜒运动的协调性. 提出一种基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法-被动蜿蜒. 通过输出关节力矩控制机器人蜿蜒运动, 由机器人的能量状态调整力矩的大小. 仿真结果显示了被动蜿蜒控制下机器人的构形、角度、力矩、能量状态和转弯特性, 并对控制力矩进行了递归分析. 基于Optotrak运动测量系统构建了被动蜿蜒控制的模拟/物理混合实验系统. 进行了移动实验和拖动实验, 前者改变环境的摩擦特性,后者改变机器人的负载. 仿真和实验验证了蛇形机器人被动蜿蜒控制的有效性和适应性.     

移动焊接机器人焊缝跟踪控制研究及仿真

为了解决轮式移动焊接机器人的焊缝跟踪问题,文中从移动焊接机器人的运动学和动力学模型出发,采用分段运动学到动力学的方法设计焊缝跟踪控制器。控制算法结合积分Backstepping算法和单层神经元网络控制算法,利用单层神经元网络的自学习和自适应能力克服机器人模型参数部分未知和扰动的影响,使跟踪更加快速、平滑。经MATLAB仿真验证了该控制算法的有效性。     

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.     

柔性臂漂浮基空间机器人建模与轨迹跟踪控制

利用拉格朗日法和假设模态方法建立了末端柔性的两臂漂浮基空间机器人的非线性动力学方程．通过坐标变换,推导出一种新的以可测关节角为变量的全局动态模型,并在此基础上运用基于模型的非线性解耦反馈控制方法得到关节相对转角与柔性臂的弹性变形部分解耦形式控制方程．最后,讨论了柔性臂漂浮基空间机器人的轨迹跟踪问题,并通过仿真实例计算,表明该模型转换及控制方法对于柔性臂漂浮基空间机器人末端轨迹跟踪控制的有效性．     

基于迭代学习控制的鳗鱼机器人切向速度跟踪控制

鳗鱼机器人的动力学模型非线性强、高度欠驱动,导致多关节鳗鱼机器人的切向速度跟踪控制极具挑战．本文采用P型迭代学习控制与步态生成器相结合的方法对多关节鳗鱼机器人的切向速度进行跟踪控制．首先,采用解析牛顿-欧拉法建立非惯性系下的鳗鱼机器人动力学模型,直接获得切向速度子动力学模型;然后,利用带饱和函数的P型迭代学习控制器控制步态参数,并且利用复合能量函数和切向速度子动力学模型分析该控制器的收敛性,得到切向速度跟踪误差的收敛条件;最后,提出鳗鱼机器人的运动控制框架,并对多模块的鳗鱼机器人进行仿真和实验．实验结果表明,实际的切向速度随着迭代次数的增加而逐渐跟踪上了期望的切向速度,故而验证了鳗鱼机器人切向速度跟踪控制器的有效性．     

基于神经动力学的非完整移动机器人跟踪控制

主要研究了非完整移动机器人轨迹跟踪问题。基于后退控制和神经动力学生物激励模型,采用自适应参数调节的方法提出了一种新的跟踪控制器。该控制器能够生成平稳合理的速度,解决了以往大部分跟踪控制器所产生的速度突变问题,并且具有很好的鲁棒性。运用李雅普诺夫稳定性理论证明控制系统的稳定性。对连续、离散轨迹的仿真及与传统后退方法的比较分析验证了该方法的有效性。     

不确定性机器人的自适应跟踪控制

提出了一种自适应控制策略 ,用于不确定性机器人的轨迹跟踪 ,该控制器结构简单 ,且无需计算回归矩阵 ,通过对二自由度的机器人的仿真 ,证明该方法能使跟踪误差快速趋近于零