（机械电子工程专业论文）一种具有空间关节的蛇形机器人系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 蛇形机器人由于具有很高的运动稳定性和环境适应能力等特点，适合 予在承下地下管i 莲、凹凸不平的地蘑等特殊豹环境中工作，开始受到国内 外学者的广泛关注，因而成为机器入领域的个新豹研究热点。而欠驱动 蛇彤机器人出于动力学的耦合，能够使被动关节产生特定的运动，从薅实 现类似于生物蛇的优美、国然豹动作。本文先对第一台空闻毒几梅蛇形机器 人进行运动学分析，接着对蛇形曲线进行了轨迹规划。又重新设计、研制 出第二翕具有欠驱动关节的蛇形机器人，两台蛇形机器人实现了运动控制。 首先，论文分析了第一台蛇形机器人的空间机构并对该蛇形机器人进 行位置分析、速发分析和角速度分析。褥劐关节夹角、蹙速度、角加速度 和相应电机转角、角速度、角加速度之间的关系。 其次，论文逶过蛇形鳇线轨迹规划对不问豹蛇形机器人运动方式选取 合理的蛇形麴线参数傻，并虽根攥蛇形极器人实际情况，编写m a t l a b 程序进行蜿蜒、向左转向、向右转向运动仿真及这三种运动过程等仿真。 再次，论文在分手厅了蛇形机器人的运动的基础上通过运动控制使第一 台蛇形机器人实现更多的运动方式，并介绍了第二台具有弹性储能关节的 欠驱动蛇形机器人的系统集成和运动鞔迹规划。 最后，论文利用影响系数法和牛顿欧拉法分析了r p r 串联机构动力 学逆阀题荠荦导到其运动学参数和动力学参数，并编写m a t l a b 程序褥到 相应结巢。 论文的理论分柝和实验工作为蛇形机器人进一步研究提供了参考。研 制的欠驱动蛇形机器人进一步丰富了欠驱动理论豹应用。 关键词蛇形机器人；欠驱动理论；运动学；动力学；运动控制 燕由大学工学颈士学位论文 a b s t r a c t s n a k e - l i k er o b o t sh a v ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sh i g hm o t i o ns t a b i l i t ya n d e n v i r o n m e n ta d a p t a b i l i t y a n dt h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k et h e ms u i t a b l et ow o r k u n d e rs p e c i a le n v i r o n m e n t s 。s u c ha ss u b m a r i n ea n du n d e r g r o u n dd u c t s ，u n e v e n g r o u n d s s ot h e ya t t r a c tt h ea t t e n t i o no fs c h o l a r sa l lo v e r t h ew o r l da n db e c o m e an e wh o ti s s u eo fr e s e a r c ho nr o b o t s u n d e r - a c t u a t e dr o b o t sc a nc a u s et h e p a s s i v ej o i n t st oh a v et h es p e c i f i cm o v e m e n t s ，t h u sr e a l i z en a t u r a lm o v e m e n t s s i m i l a rt os n a k ea sar e s u l to fd y n a m i cc o u p l i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ec a r r y o i lk i n e m a t i c sa n a l y s i st ot h ef i r s ts n a k e l i k er o b o tw i t hs p a t i a lm e c h a n i s m a n d w ed or e s e a r c ho ns e r p e n o i dc u r v e t h e nw ed e s i g na n dm a k eas e c o n d s n a k e - l i k er o b o tw i t hu n d e r - a c t u a t e dj o i n t a n dw ec a r r yo nt h ep a t hp l a nt ot h e t w os n a k e - l i k er o b o t s ，a n dt h e yr e a l i z et h em o t i o nc o n t r 0 1 f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h es p a t i a l m e c h a n i s mo ft h ef i r s t s n a k e - l i k er o b o ta n dc a r r i e so ni t sp o s i t i o na n a l y s i s ，v e l o c i t ya n a l y s i sa n d a c c e l e r a t i o na n a l y s i s a n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ej o i n ta n g l e ，a n g l ev e l o c i t y , a n g l ea c c e l e r a t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gs e r v oa n g l e ，a n g l ev e l o c i t y , a n g l e a c c e l e r m i o na r eo b t a i n e d s e c o n d ly ，w ec h o o s es u i t a b l ec u r v ep a r a m e t e r sf o rd i f i e r e n tm o t i o nm o d e s b ys e r p e n o i dp a t hp l a n a n dw ei m i t a t ew r i g g l i n gm o t i o n ，l e f ts w e r v em o t i o n ， r i g h ts w e r v em o t i o n ，t h e i rp r o c e s s e sa n ds oo na c c o r d i n gt ot h er e a ls n a k e - l i k e r o b o t t h i r d l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fm o v e m e n to fs n a k e l i k er o b o t m o t i o n c o n t r o li sm a d et om a k et h ef i r s ts n a k e 1 i k er o b o tr e a l i z em o r em o t i o nm o d e s a n dt h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h es y s t e mi n t e g r a t i o na n dt h ep a t hp l a no ft h e s e c o n ds n a k e - l i k er o b o tw i t he l a s t i cj o i n tw h i c hc a ns t o r ee n e r g y f i n a l l y , w en s ei n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o da n dn e w t o n e u l e rm e t h o dt o a n a l y z et h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fr p rm e c h a n i s m ，a n do b t a i ni t s i i a b s t r a c t k i n e m a t i c sa n da y n a m i c sp a r a m e t e r s a n dw ep r o g r a mt oo b t a i nt h eo u t c o m e u s i n gm a t l a b t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n de x p e r i m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o no f f e r r e f e r e n c e st od e e p e rr e s e a r c ho nt h es n a k e l i k er o b o t s a n dt 1 1 eu n d e r - a c t u a t e d s n a k e l i k er o b o te n r i c h e st h ea p p l i c a t i o no f u n d e r - a c t u a t e d t h e o r y k e y w o r d ss n a k e - l i k er o b o t ；u n d e r - a c t u a t e dt h e o r y ；k i n e m a t i c s ；d y n a m i c s ； m o t i o nc o n t r o l i l l 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑熏声明：此处所提交麴硕士学位论文一种具有空闯关节鹣蛇 形机器人系统设计与实现，是本入在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。獬本人所知，论文中除已注瞬部 分外不包含他人已发表或撰写过弱研究成果。对本文的研究工作徼出熏要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果憋完 全豳本人承整。 作者签字钟永乜 日期：铲一占年年月；羽 蒸山大学硕士学位论文使用授权书 一种具鸯空闼关节豹蛇形枕器人系统设计与实现系本人在燕由大 学攻读硕士学位期阈在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关 人员。本人完全了解燕由大学关予缳存、使用学位论文豹撬定，同意学校 保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕出大学，可以采用影印、编印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或邦分内容。 保密 | ，在 年解密露适恁本授权书。 本学位论文属于 不保密瓯 ( 请在以上相应方框淹打“”) 馋者签名：材孛赳 导师签名：勺锹石 墨期：矿一5 年乒月 b 弱 翻瓣： o 。年华月z z e j 第1 章绪论 1 1概述 第1 章绪论 当代机器人的研究领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向航 空航天、星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检森治疗、捻险 救灾等非结构环境下的自主作业方面发展。未来的机器人则需要在人类不 能或难以达到的已知或未知的环境里工作，而传统移动机器人的移动机构 设计方法已经不能满足机器人在上述环境一f 的作韭螫求，所以，变革移动 机器人的机构设计和运动方式，使其适应复杂的工作环境，是当前机器人 研究的熏要方淘。传统的移动机构大多基于连续转动原理，靠轮子或疆带 与地面相互作用实现运动。轮子的应用具有悠久的历史，其优点是能够提 供光滑积离效的运动，但是其运动弱限于地殛的形状，倒懿，轮子在挂鹜 不平的地面上运动时，就失去了运动的稳定性；当其侧面受阻或倾覆翻倒 时，就无法继续运动【l o j ，因此，就需要改变轮子的形状或利用新的移动方 式来适成环境的变化。履带，是轮予的一种改进，它增强了移动机器人适 应凸凹不平地面的能力，假由于其与地面接触的面积较大，产生的摩擦阻 力较大，掰以运动中消耗能量较多，雨且其控制不够灵活。瓶着仿生学的 发展，人们把目光对准了仿生机器人，期望实现如同生物一样灵活多变的 运动步态。步行娥器人是藜中一个藿要发展方向，荚步行运动方式爨有一 定适应环境的能力，它可以实现与地面非连续的接触运动，所以，在一定 情况下，可以提窿运动效率并增强了恚f l | 器人的越障秘横向运动能力。但是 和轮子及履带的运动相比，由于其重心较商，运动的速度和稳定性降低， 而且目前能够进行实际应用的行走机器人还不多【3 一】。自然界中无四肢动物 的运动方式弓i 起了学者的浓厚兴趣和广泛研究，无酾肢动物的运动方式特 点是重心低，与地面有多个接触点，具有很高的运动稳定性和环境适应能 力。仿蛇形机器入就是把无四菠动物的运动梳理翻行为方式应穰到机器人 上的一个典型实例，以蛇为模型而研制的蛇形机器人增加了机器人新的运 燕山大学工学硕士学位论文 动步态，并扩大了机器人的应用领域。其适合于在狭长的管道、松软的表 弼、凸凹不平的地理、狭小的空闻和沼泽等特殊的工作环境。返年来，蛇 形机器人得到了国内外的广泛关注和研究，在我国还被列入了国家高技术 研究发展项目，即8 6 3 计划中。 1 2 蛇形机器人研究的仿生背景 蛇是无四驶动物中最庞大的一类，在地球上大约有2 5 0 0 多种。广泛的 地理分布和悠久的进化历史，表明它经历了适应环境的长久进化过程。它 的多转运动形式程生理特点使它具有适应各薛翅理和翻然环境( 沙漠、承 池、陆地、树林等) 的能力。 蛇是脊椎动物，具有三秘骨骼：头嚣、褥骨、肋露。蛇的身体狭长基 鬃软，由彼此相连的2 0 0 - - 4 0 0 块脊骨组成【5 l 。它的肋骨数与腹部鳞片数几 乎相等，缚对肋骨通过弹性肌肉与蛇体相连。蛇的脊骨形成球套关节，并 带有突起，如图1 - 1 所示。球套关节囱一系列的表面形成，产生有限范阐的 水平和垂赢运动，突起结构可以防止躯体的扭动，保护脊索。对于大多数 蛇，脊骨运动范箍为承平1 0 0 一2 0 。，纛直2 q 3 。酾尾蛇怒蛇种粪咿虢骨较少 的种。响尾蛇的脊骨比大多数蛇的脊骨大且密度高，这有利于它进行精 确投掷和强有力的攻击，特别是在进行自卫肘，蛇体的l 以将被冶离地蘸， 形成一个s 形状的螺旋线。 图1 1 蛇的骨骼结构 f i g + 1 - 1s t r u c t u r e o f s n a k e 实验表明，蛇靠身体的变形与地酾作用产生驱动力。蛇的四种典型运 动方式为： 2 第l 章绪论 ( 1 ) 侧摆和起饫也称之为“正弦波式游动自嚣进方式”这种运动是蛇在平 坦宽阔的路面上采用的前进方式，对于大多数蛇一般均采用此种方法前进， 这种运动因酷毂游泳豹鱼，所以被称为“游动”。蛇类的运动蠢很大一部分 具有简单的重复传播性，即运动的本质是一个很简单的动作，但是该动作 沿蛇体的传播却可以形成非常复杂丽有效的行为。借助体侧颂接触凸凹不 平的地丽所产生的力前进，身体各部分都有相似的运动轨迹。这种运动的 特点为：效率高、需要的空间大、不适于在光滑表飚运动、不适于体态庞 大的蛇类运动。 ( 2 ) 赢线运动又称之为“蠕动前进方式”。这种运动方式下靠腹部和地面 的痒擦力移动，部分点与点之蠢有稠对运动。蓄先尾部关节固定在翅鬣上， 身体向前伸直，而后头部关节固定在地面上，后边的关节缩向前部。依靠 关节闻的微小位移柬构成蛇体的宜线兹进，这种运动方式鼹经过的搜移最 短，因而在捕食和无障碍的时候运用。其运动的特点为：适于笨重的蛇类 运动、运动效率商。 ( 3 ) 伸缩运动身体收缩成s 形，前部前伸，后部收缩，循环向前运动。其 运动的特点为：可以在狭小空间运动、运动效率低。 ( 4 ) 侧向移动在形式上与第一种模式裙似，但力的作焉不同。它怒借助 腹部和地面的摩擦力移动。适用于沙地或士呶面较平整的情况。首先从头部 开始，身体部分颓次接她、捻莛，完成前进运动，供瓒腹邦与地囊之闻豹 摩擦力移动。其运动的特点为：效率相对高、适于柔软地面、不适于狭小 窆闻。它在沙地环境中运行时，滑动摩擦阻力小，因丽运动效率高，是一 种很好的适应沙漠环境的运动形式。蛇的其他运动形式有：跳跃、绕身体 脊椎的回转、利用障碍物推动身体运动、蠕虫运动、滑行冲击等。 1 3 蛇形机器人的研究现状 1 3 1 国扑研究现状 对蛇形机器人的研究引起国际社会的广泛关注。美国航空航天局【6 】从 1 9 9 9 年开始研究多关节的蛇形梳器入，计翔在萁太空计划中用于行鬃遣表 3 燕山大学工学硕士学位论文 探测以及空间站维护工作，如图1 2 所示。该蛇形机器人可以独立在疏松的 土壤中挖掘，可以在行星表面很灵活地穿过裂缝，可以独立规划路径绕过 或者避开障碍物，它可能在今后几年服役。n a s a 采用两种互相垂直的模 块组成一个蛇形机器人单元。这种机构非常有效率，因为在蜿蜒运动时候， 它的左右摆动的模块产生作朋；在行波运动时候，它的上下摆动的模块产 生l 乍蕊：侧向移动和翻越障碍物时候，两种模块起产生据矮就可以实现； 凑于两模块互媚垂壹，困螺它还哥以实现积滚运动。整个蛇形机器入有个 总体的电脑控制，控制各个模块上的电脑工作。 该蛇形机器人通过自己经历学习，可以爬过裂缝等环境。这对在其他 行羼上面寻找水极为有利。它的运动部件都被隐藏起来，并且即使有个关 节不能工作也不影响全体能力。 德国国家实验室研制了一台柔性蛇形机器人g m d 7 1 ，如图1 3 所示。每 单元出嚣个橡胶关节缝成，且设有四组驱动装置( 8 个电枫) ，它可以分 嗣在垂蠹帮水平方向上弯翔运动，其优点是运动眈较灵活，缺点是由于重 力作用，当机体抬起时关节将发生扭转现象，容易失蠢控制。随后又推出 了第二代刚性蛇形机器人【8 】，每一单元由三个电机驱动，单元之间用万向 节连接，同时在机体的周围安装有小的被动轮充当鳞片的作用。 图1 - 2n a s a 研制的蛇形机器人图1 - 3 蛇形机器人g m d f i g 1 - 2s n a k e l i k er o b o td e v e l o p e db yn a s a f i g 1 - 3s n a k e l i k er o b o tg m d 戮本东京工监大学h i r o s e 教授在1 9 7 2 年研毹了第台蛇形机器入。它 是由电机驱动的单自由度关节串联而成，每一关节安装一对被动轮，用以 4 第l 章绪论 改变机器人运动的纵横摩擦系数比，可以实现平面蜿蜒运动，最大速度可 达5 0 c m s ，而后又相继研制了几代蛇形机器人样机，即a c m 系列，其中 a c m r 2 1 9 】采用了差动驱动的两自由度关节，可实现了三维空间运动；而 a c m r 3 1 1 0 , 1 h 由单关节模块回转轴线互相垂直连接而成，模块周围设有直 径较大的轮子，起保护作用，实现了直接单元驱动，它不但能完成平面蜿 蜒运动，还能够完成侧向滚动、螺旋运动、近s 曲线等各种空间运动形式， 如图1 4 所示。而后又开发了可在水中实现螺旋游动的h e l i x 【l ”，以及柔性 关节仿蛇运动机器人s l i ms l i m e i “1 图1 4a c m r 3 蛇形机器人图1 - 5v g t 蛇形机器人 f i g 1 。4s n a k e 。l i k er o b o t a c m - r 3f i g 1 - 5s n a k e - l i k er o b o t v g t 美国加利福尼亚学院的c h r i 蝎i a n 和b 1 1 r d i c k 【1 4 - 1 7 1 首次从超冗余度机器 人角度，对蛇形机器人的机构和运动理论进行了研究，提出了采用变几何 珩架结构( v g t ) 作为蛇形机器人的基本构架形式，如图1 5 所示。 日本n e c 公司的t a k a n a s h 开发研制了一种由刚性体关节相连的蛇形机 器人机构。该机器人能够完成三维空间运动，可以应用在危险情况下的探 查和营救工作。但是，由于刚性体单元体较长，它不能仿真自然界中蛇的 运动。后来，美国的j p l 实验时采用上述n e c 的设计方案，研制了j p l 蛇形 机器人，拟用于空间航空站的探索工作1 1 8 】。 日本的m a u 9 i 改进了a c m r 1 ，并得到简化的蛇形机器人机构，如图1 6 所示。美国m i l l e r 【20 】研制了带有皮肤的蛇形机构s 5 ，如图1 7 所示。密歇根 大学k o r e n 和s h a n 2 1 1 研制了m si 和m si i 两代蛇形机器人。弗罗里达的 e n 0 1 2 2 研制了j o r i n u n g a n d 木质蛇形机器人。希的k y r i a k o p o u l o s 2 3 1 ，法国的 5 燕由大学_ _ _ l = 学硕圭学位论文 b a y r a k t a r o g l u l 2 4 1 ，意大剃的p o i 口5 1 ，瑞士的n i l s s o n 【2 6 。2 8 1 等也已经迸行了各有特 氛的蛇形机构的研制和多种控制方法的研究。3 1 1 。 图1 - 6m a 研制的蛇形机器人 f i g 1 - 6s n a k e - l i k er o b o td e v e l o p e db ym a 囤1 7s 5 蛇形机器人 f i g1 - 7s n a k e - l i k er o b o ts 5 1 3 2 国内研究现状 上海交通大学f 3 2 - 3 q 予1 9 9 9 霉研篚了我国第一台微小囊仿蛇枫器人样 枫，魏图1 - 8 所示。该摊构由一系确喇性连手于连接嚣袋，步迸电机控割耜邻 两刚性连杆之间的夹角，使连杆可以在水平面内摆动，样机底面装有滚动 轴承，用以改变纵向和横向摩擦系数之比。 网1 - 8 上海交大研制的蛇形机器人 图1 - 9 沈阳自动化所研制的蛇形机器人 f i g 1 8s n a k e l i k er o b o td e v e l o p e db ys j t uf i g 1 - 9s n a k e - l i k er o b o td e v e l o p e db ys i a 上海交通大学依据蛇式运动生物实验，在计算机多媒体图像处理软件 的帮助下，通过处理输入计算机中的蛇式运动录像获取数据，运用“脊梁 曲线法”建立起蛇式运动曲线黝数学模型，弓l 入蛇式运动鏊线浆形状函数 解决了蛇式运动的正翔描述，溪月“系数待定法”采宠成蛇式运动静反向 求解，比较系统地讨论了蛇式运动。 6 第1 革绪论 它还提出了“弹性多关节式”蛇形移动机器人新枫构模型，在机构的 设计中还考虑了对应于蛇爬行中腹鳞所越的作用。通过对耨模型试验，将 定量分柝得到的蛇式运动曲线的形状特征量j 乍为控制的输入量，验证了交 大建立的蛇式运动曲线数学模型的正确性，表明交大模型的合理性。 中秘院沈阳自动化腰【3 7 - 4 2 研究豹蛇形机器入是围绕国家8 6 3 t t 划研究 项目“具有环境适应能力的蛇形机器人的研究”腿开的。研制出了一种新型 蛇形辊器人系统，为我国星球探测羁灾难救援等镶域的应用提供技术支撩， 如图1 - 9 所示。 自动化所基于s e r p e n o i d 盎t 线建立了蛇形机器入运动的形状控制方程， 采用d h 矩蹲和牛顿欧拉方法分别建立了蛇形机器人的空间运动学和动 力学递推方程，求解了蛇形机器人行波运动的运动学和动力学方程，并研 究了行波运动仿真。并且礤铡了爨有巧境适应能力的掰型蛇形规嚣人系统。 另夕 自动化所还进行了蛇形机器人多种运动步态的实验研究，研究了 蛇形梳嚣入的平蘑拣蜒运动的速度决定戮素；蛇形机器人行波运动的逮度 决定因素；嫁形机器入侧囱蜿蜒运动的稳定性和运动方向的决定因素。该 蛇形机器人在侧向滚动过程中，可以通过控制其运动波的幅值变化和运动 波豹个数，实现纯侧疑移动、直线滚动翻弧形颓滚。弧形懿滚的方向葶眭姿 态的决定因素。他们研制出来的第一代蛇形机器人可以利用翻滚运动越障， 其可跨越驰障碍物离疫可达8 c m 。针对特殊的需要，蛇形祝爨人还爵数实 现抬头，盘旋等特殊运动形式。第二代蛇形机器人可以根据传感器的输出 信号判断硬地、软土和沙地三稚典型的环境，自主采用与之褶适应的平嚣 婉蜒运动、行波运动和铡匈蜿蜒遮动。 】4 蛇形机器人各个组成部分 蛇形机器人由多模块串联而成， 的刚性连接，潜模块闯为剐性连接， 模块间的连接方式可以是关节或简单 茭i 模块要实现关节的运动功能。有的 蛇形机器人，如a c m - r 2 ，还采用被动轮柬改变机构与地面之间的摩擦系 数：有的蛇形机器人，如n e c s n a k e ，利用平板支撑机体，增强运动对驰 平稳性。 7 燕融大学工学壤士学位论文 模块框架是蛇形机器人的主体结构，起到传递运动、保护机体、裴载 部件等功能。垦蘸蛇形机器人大多袋用刚性管、功熊模块彝鬃性结构三耱 框架结构。 关节具有连接模块，产生运动的功能。蛇形机器人关节形式的选择直 接决定了其运动的能力。隧前蛇形机器人所采用的关节有单自由度关节、 两自由度关节、柔性连接和特殊关节等形式。 驱动器瑶来控铺蛇形机器人关节的运动。习前可班有多种执彳亍器结构 实现驱动，如气动，液压等，然而最简单有效的还是利用饲服电机进行驱 动。其驱动方式有电掇连枰驱动器、逛枧直接驱动和铰盘绳索驱动器三年中。 蛇形机器人要实现自主控制是离不开和外界环境的交互作用的，所以， 感知外界环境和虑部运动状态的传感器是必不可少的。蛇形挑器人需要的 佟感器主曩类型有触觉传感器、光传感器和关节位置传感器等。 目前，大多数蛇形机器人依靠外部接线供电，这大大限制了蛇形机器 人的运动范围。也有一些蛇形枫器入( 如k a a 4 朝，g m d t 4 4 】) 实现自治电源 供给。以g m d 蛇形机器人为例，采用的电池容量为4 7 w h ，电路板的消耗 功率为2 0 w ，一般运动状态眩电撬消耗功率为2 5 w ，焉当抡起两节模块对 电机消耗的功率为4 0 w 。寻求体积小、重量轻、容量大的电池作为能量的 供给，是蛇形枧器人褥隧充分应用的前提。 1 5 蛇形机器人运动控制的研究方法 1 5 1 基于模型的控制的研究方法 蛇形机器人基予运动学模型的控制理论研究方法有： ( 1 ) 从仿生角度一5 4 q 描述蛇形机器人运动的基本曲线蛇形曲线( 如 s e r p e n o i d 线) ，通过改变蛇形曲线的幅值、相差、频率，来实现机器人的 运动和方翔豹改变。 ( 2 ) j l 黾过微分几何方法m 5 4 1 把蛇形机器人考虑成侧向不滑动的非完熬 约寒系统。 ( 3 ) 从冗余度机器人的角度，进行蛇形机器人的运动学控制和避障 55 1 。 8 第1 章绪论 蛇形机器人基于动力学模型的控制理论研究方法有： f 1 1 把蛇形机器人看作带有被动轮的刚性连杼结构，建立其系统的拉格 朗日动力学方程，荠利用拉格朗匿乘子把j 完整运动学约束带入动力学方 程，进行降阶，可以进行加速度控制【5 ”。 ( 2 ) 把蛇形机器人看作为没有被动轮的，由n - 1 个关节相连的n 连杆系统， 剃用牛顿欧挖方法，建立其动力学模攫，著把动力学方程分解为漆部形状 运动方程和惯性系下的运动方程，建立反馈控制结构，用准线性输入变换 方法设计控制器来进行速度控制，达到系统稳定的输入输出蟑。 l 。5 2 基于传蒜器的控制的矮究方法 目前对蛇形机器人的基于传感器的控制方法的研究主要有传感器的选 取和布置、数据融合和路径规划。其中路径规划方法可以采用距离变换方 法 6 0 - 6 2 】，通过探测路径鞭离，计算达到每一嚣标姿态的代价，从覆来选择 运动方式。 1 6 欠驱动蛇形机器人的研究意义 在一般的枫器人控制中，机器人各关节是由各自的电机分别控制驱动 的。机器人的设计也总是力求避免各关节间的运动耦合和干涉，因为这样 在运动控制上最简单，一般的也只需要做运动学反向解，通过位置反馈擦 割来实瑶镁定躬运动轨遂。在运动控制中，即使斑用了掘器人运动学，一 般也只起到动态性能的辅助作用。而人类和其它生物的运动与此是截然不 同的。人炎和生物的运动是高度耦合的，并且善于利用这些动力学耦合完 成运动能量豹传递，达到整个机体高度协诫的动力耦合。和枫器人相比， 人类和生物的运动不仅自然、优美，瓶且具有高的运动效率。针对人类和 生物的运动控制技巧的研究，尤其是通过运动耦合有效地传递运动能量的 控制过程，能够开发设计出新的运动机构，从丽提高机构的运劫效率，改 进控制结采。 通过研究，我们把人和生物的这种运动传递关系简化为驱动关节和非 驱动关节的运动耦合关系。由驱动关节通过动力学耦合关系带动非驱动关 臼 燕山大学工学硕士学位论文 节完成所需的动作。由于存在非驱动关节，这样的运动系统被称为欠驱动 系统，即独立控制变量( 驱动单元) 少于系统的自由度【6 3 。6 9 】。非驱动关节 可以是只考虑( 或忽略) 摩擦阻力的自由被动关节，也可以是安装了弹簧 或其它储能、阻尼元件的符合铰链。研究已经表明，只要满足一定的动力 学条件，就可以利用机器人系统的动力耦合实现对被动关节的运动控制， 滩动力耦合驱动。由于驱动器数量的减少，欠驱动橇器人的结构鞠对简单， 重量轻，具肖对环境的自适应性，并且可以大大的减少能源消耗。 在对欠驱动机器人系统理论与应用的研究过程中，一类具有弹性储能 关节的欠驱动机器人引起了人们重视。这类欠驱动机器人驱动关节的运动 通常是给定的。要求通过合理的设计被动关节结构和配置储能阻尼元件的 参数，利用弹性动力耦合驱动的原理，使被动关节产生特定的运动，从而 实现机器人所需轨迹。 欠驱动系统豹运动控制研究对蛇形税器入的研究具有重要的意义。为 了实现动作的灵活性，生物蛇的自由度很多，通常很多关节都处于近似非 驱动状态。非驱动关节的研究对于具有独特运动机理的蛇的运动等具有很 重大的意义。要想使研制出来的蛇形虮器人实现窝效的、优美垂然的运动， 对非驱动关节的研究是不可缺少的重要内容。 1 7 欠驱动蛇形机器人的特点和应用前景 1 7 1欠驱动蛇形机器人的特点 欠驱动蛇形机器人具有能耗小、运动稳定和隐敲、可适应多种环境、 具有高的牵引力、运动效率商、能实现自然的动作等优点。它还具有运动 规鲻控镶困难、运动速痰较幔等缺点。 1 7 2 欠驱动蛇形机器人的应用前景 欠驱动煽澎机器人的主要应用领域有：星际探索、军事侦察攻击、水 下地下管道、疾病捡查治疗和抢险救灾簿非结构环境下的自主作业。其突 出的特点是可以在障碍物众多、地面凸凹不平、工作空间狭小等环境下工 第1 章缝论 作。如据科学家探测7 1 , 7 2 ，火星表面到处都是沙丘和怪石，传统已有的机 器人的轮予、履带和腿将无法很好的前进，同时，专家们也认为在遍心弓l 力较小的环境下，如小行娶，流臻等的微重力环境下，轮式运动不是一个 很好的运动方式，所以，它可以利用其滑动、翻滚、跳跃等运动方式在未 来豹星球掇测中扮演鲎要危色。 1 8 蛇形机器人的发鼹方向 过去，蛇形机器人的研究工作主要集中于蛇形机构的运动原理研究以 及各种运动方式的实现上。结合蛇形机器入的自身特点和应蹋前景，蛇形 机器人的研究正向重构结构、运动自主擦制和能量实现自绘这三个方向发 展。 橇构的可熏鞫是指个机械系统出； 申或几耪穗同的餐模块构成， 不瓣数鳖模块的不同维合哥潋改变萁结构的形状和大小，以适寂不阍工作 的需求。如莱一个系统能够囱主撼、动态逑改燮其结构，那么它就能动态 的适应各种环境和任务，那么这就成为一个自重构系统。单元的模块化是 实现自熏构的基础1 7 3 - 8 2 1 。模块化既包括机械部分又包括电予硬件和控制软 件部分的模块化。模块囊重构机器人有通用性期经济性等显著特点。 运动自主控制是指在运动过程中，蛇形机器人不蒋需要外界的参与， 自主翔颐并傲出控制决策，这样就熊魄较有效跑实现智能化。 有线控京模式太大鼹裁了蛇形枫箍入豹移动藏淹，因此需要采爝无线 通溱和无线能薰传送。所以能量自给也是今后的一个发展方向。 i ，9 本论文主要研究内容 本课题受到国家皂然科学基龛磺翻鲍资助。该课题以围瘫外进行的蛇 形机器人研究为基础，对先前研制出来的第一台空间机构蛇形机器人进行 运动学分析，并对蛇形曲线进行轨迹规划。又熏新设计、研制出第二二台具 有欠驱动关节的蛇形机器人。接着对这两台蛇形机器人进行运动轨逑规翔， 实现了运动控制。最后利用影响系数方法和牛顿一欧拉法对串联连年t 机构 遴行了逡动学并l 动力学分橱，为蛇形机器人葫力学分褫提供翦提耜基础。 1 1 燕l i j 大学工学硕士学位论文 本文的内容和组织结构魏下： 第l 瀣对蛇形机器人的仿生背景、国内外研究现状、各个组成部分、 运动控制研究方法、发展方向，欠驱动蛇形机器人的研究意义、特点、应 用前景进行了阐述。 第2 章详细阐述了第。一台蛇形撬器人的空闰税构著霹该蛇形撬器人 进行位鬣分析、速度分析和角速度分析的过程；分析得到关节夹角、角速 度、角加速度和相应电机转角、角速度、角加速度之间的关系。 第3 攀阐述了如何逶过蛇形鲢线轨迹规划针对不同的运动方式选取 合理的蛇形曲线参数值的过程。介绍了根据蛇形机器人实际情况，逯过 m a t l a b 编写程序进行蜿蜒爬行运动、向左转向运动、向右转向运动、这 三种运动过程以及从初始状态到蛇形曲线、向左运动蛇形曲线和向右运动 蛇形曲线过程仿真。 第4 章介绍了蛇形机器人的翅型运动步态并且详细叙述了蛇形机器 人设计和蛇形机器人的系统集成。阐述了对第一台蛇形机器人进行运动轨 迹趣划，使之实现多种运动方式叹及改进蛇形极器人掇构，设诗研制崮第 二台欠驱动蛇形机器入的过程。 第5 章详细介绍了利用影响系数法和牛顿一欧拉法分析r p r 机构动 力学逆问题褥到其运动学参数和动力学参数的过程。它为蛇形机器人动力 学分毒斥提供前提和鏊磷。并滔述了如何编写m a t l a b 程序得到相应缩鬃的 过程。 1 2 第2 睾蛇形桃器人运动学分拆 第2 章蛇形机器人运动学分析 2 1 概述 蛇形手几器入运动举分析对于蛇形极嚣入豹理论研究其有重要意义。本 章通过键置、速度和加速度分折，褥到极器入关节空润夹角、夹角角速度、 夹角角加速度和对应两个赢流饲服电机的转角、转角角速度、转角角加速 度之间的对应关系，从丽键到蛇形虮器入豹运动学公式。 2 2 蛇形枧器人模块机构设计 为了使蛇形机器人能实现各种运动方式，在第一台蛇形机器人 y s u s n a k e - 1 机构每个模块两侧各安装一个微趔伺服电机，伺服电枫轴装 有塑梗，鼗裰通过球铰与连杆连接，透姆通过球铰与前模块连接。 ( a ) 正位 ( b ) 抡起 ( c ) 右摆 圈2 - l 蛇形极器人关节空间枫构三维造型 f i g 2 - lt h e3 - d i m e n s i o nm e c h a n i s mo f j o i n t 燕山大学工学硕士学位论文 蛇形机器人关节空闽机构三维造型正位、拾起和右摆分别如闰 2 - 1 ( a ) ( b ) ( c ) 所示。左摆与右摆相比，对应的两电机转动方向撩反。该蛇形 机器人有9 节，相邻两个骨节之间用万向铰链连接。通过控制两伺服电机 的转角，即可经曲柄和连杆控制两相邻骨节间水平与竖直方向的夹角，进 焉控割关节稠整个蛇身的运动。为了调整蛇形机器人纵横翔运动豹摩擦系 数，各模块下面装谢两个纵向导向轮。 2 3 蛇形机器人位置分析 为了褥到关节空间夹角和相应电机转角之阀的关系，建立坐标系如翻 2 - 2 所示。坐标原点o 选在万向铰链的中心，x 轴选为驱动骨节( 右侧) 的纵向，z 轴垂直地两向上。令和q 。为固连在被驱动骨节上的两个球 铰的中心，令鱼和“，表示电机轴线与裁柄中心线的交点。 图2 - 2 空间机构简网 f i g 2 - 2d i a g r a mo fs p a t i a lm e c h a n i c a ls t r u c t u r e 闰 2 - 2 中圪q 。= 拜= 9 0 0 m m ， f m 2 = b = 7 5 r a m ，曲柄 m l a i = c = 5 0 0 m m ，0 1 ) = d = 2 2 5 n n ，e d = p = 2 7 o m m ，尸0 居= ，= 4 5 o m m ， 连杆q o m 2 = h = 2 d + b = 5 2 5 m m 1 4 第2 章蛇形枧器入运动学分析 最先绕y 轴转动掰到达只，再绕z 轴转动0 到达p b 。，y 。，z ，) 。p o 先 绕y 轴转动口到达q l ，再绕z 轴转动毋到达q k ，y ，j 。曲柄上的球铰 中心m ，和m ：到达m ：和m ；点，棚应电机( 曲柄) 转角为q o l 和妒2 。m 坐 标为0 。，y ，z 。) ，m i 坐标为g ：，y ：，z ：) 。可得曲柄上各点和虎党铰中心坐标 如下： 曲柄上a ，点坐标为：x = 3 0 ，y = 。4 5 ，z = 2 3 曲横上幺点坐标为：x = 3 0 ，v 一4 5 ，铲2 3 曲柄上m ，点坐标为：x = 3 0 ，y 一4 5 ，z = 2 7 曲柄上m ，点坐标为：x = 3 0 ，y = 4 5 ，z = 2 7 虎更铰中心坐标为：x = 0 ，y = 0 ，z _ 0 求得p 点坐标为 x ，= ，c 。s ( 枷t a n 詈+ 口 c 。s 抛c 。s ( 詈) + 石+ 口 y ，= ，c 。s 、( a r c t a n e g + 口) s i n a r c c 。s ( 詈 + 丌+ 口 c z - - ， ：，= 心n a r c t m l g + d 1 其中z = p 2 + e ：+ f 2 g = 求缮q 点坐标为 掣c o s i a r c t a n g + 口h 一协刁 y ，= z c o s a r c t a n g + g s ；n 万一羽噼c o 詈 + 毋 e z 一：， 铲壤n 卜a n 詈十刁 鍪当奎堂三兰垫圭兰堡笙苎 求褥膨：点坐标为 求得膨i 点坐标为 列出约束方程得 | = d 十b + c c o s 妒i y l = 一， b = 8 一( c c s i nr p ；) l x 2 = d + b + c c o s q ，2 y 2 裟， 【2 2 = g 一0 一c s i n 妒2 ) 槽风【z 。1 卜a ( z z j 、甄( 2 。邓、瓦( 2 4 ) 1 弋八k ( 2 5 ) 化简得 a c o s 口g t + b s i n f o l = c l a lc o s 致+ b is i n ( 0 2 = g 对式( 2 6 ) 求解可以得到 卜豳。毒一s m 。意等 卜豳。焘喵酊1 寿毒 其中一= c d + b c - c l c o s ( a r c t a n g + g c 。s 照+ 护) 小小n 幽。s ( a r c t a n 詈+ 口 c o s 慨叫 嚣= b , ：c e - c 2 - c l s i n ( a r c t a n g + 瑾 c = 一c 。s ( a r c t a n 量+ 掰 防s i n + 毋) 一p + a ) c 。s + p + 1 6 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 办 l 嚣 b 厂b 厂盈己 一 一 p g l p l ￥ + + k，k， h 坎 一 一 k k + + b厂k。， 一砭 一 k ，、。，。l 第2 章蛇形机器人运动学分析 e - c ) s i na r c t a n g + 掰1 + 。 c j = - - c o s ( a r c 协詈+ 口p 倒n 幢删一。坤c o s 慨俐+ ( e - c ) l s i n ( e - c ) tf a r c t a 雏兰+ 搿1 。 l 詈叫+ 。 。= 圭【( 2 d + b ) 2 一z2 ，2 _ _ c 2 - ( d + 矗) 2 一。一c ) 2 】 娃= a r c c o s d + 万 g 0 2 ：茚一a r c c o s d g 已知关节角度，我们通过编写m a t l a b 程序算出电机的转角。 m a t l a b 程序如睢录1 所示。 2 4 蛇彩机器人速度分析 对式( 2 - 7 ) 时闻求导并化简得 l 红。1 2 2 一 “2 + b 2 p 2 = c 。j f j j i 丁一c e 爿+ j 丽一a e , a 2 - b 2 一c 2 b-t- ：= = = ：= = = = = = = = = = = = = = = 一- - 一 c 一，2 + 马2 一c 1 f 彳1 2 + 臻2 一c 1 2 其中a = c d + b c c l c o s f l c o s y a = c l ( s i n t i f f c o s 7 + c o s f l s i n 1 a t = c d + b c c l c o s f l c o s t a ：= c l ( s i n , s f l lc o s + c o s s i n 瑚1 ) 1 7 4 河面一4 f 1 2 - 8 赤 燕山大学工学硕士学位论文 b = 垦= e 8 一# 2 一c l s i n f l c = - c o s p b 7s i n y 一( d + 6 ) c o s ，】+ ( e