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两栖仿生机器蟹模型建立与步行足协调控制技术研究

王立权

  随着机器人技术的发展,机器人不仅在工业上应用广泛,而且在军事、海洋开发、科学探险、抢险救灾等领域开拓新的应用。特别是用于危险环境的特种机器人得到飞速的发展,如:水下机器人、壁面清刷机器人、管道机器人,军用侦察机器人、扫雷机器人、空中侦察机器人等。本论文研究内容是国家自然科学基金项目“两栖仿生机械蟹基础技术研究”(批准号:60175029)课题的一部分。论文研究内容是针对浅滩登陆侦察、排雷、科学探险等恶劣环境下需求提出的。通过对比分析得出海蟹是研究浅滩水陆两栖、高灵活仿生机器蟹理想的生物原型。在对生物原型的分析的基础上,给出了两栖仿生机器蟹的机构形式和组成原则,包括两栖仿生机器蟹本体结构,8条腿结构,单腿各关节之间的比例关系,并建立了数学模型。提出两栖仿生机器蟹步行足关节采用了螺旋伞齿轮的传动方式,将伺服电机输出的旋转运动减速并改变输出轴方向,合理的解决了电机沿腿长度方向分布和关节转轴空间角度的问题,并且体积小、效率高。同时对采用形状记忆合金作为关节驱动器方法进行了研究,尽管SMA丝作为两栖仿生机器蟹转动关节驱动元件在工程实践中存在一定难度,但通过机构的合理设计和采用一些辅助措施,仍然可以使其成为性能比较理想,价格比较低的驱动元件。运用串并联综合分析的方法,采用ADAMS机械系统动力学仿真分析软件,对两栖仿生机器蟹步行足进行运动学分析,给出两栖仿生机器蟹各构件运动的模型,并进行了仿真。提出了步行足运动轨迹规划的方法,并在实验中的得到实际应用。建立两栖仿生机器蟹各个运动构件与末端执行器在空间的位置姿态之间的关系,为研究机器蟹的运动特性提供一种高效便捷的方法。采用多CPU结构的控制器。由一个CPU对三条步行足的各个关节进行控制,而整个控制器为多CPU结构,由三个步行足控制器并联成伺服控制层,并由一个主CPU协调控制。采用多层多目标分布式递阶控制系统,并研制基于DSP芯片TMS320LF2407的单腿伺服控制器、电机驱动器、通讯接口、信号采集接口等硬件电路。论文建立了两栖仿生机器蟹单腿实验平台,进行了实验研究。利用建立的实验平台进行了步行足关节驱动器性能测试和可控轨迹运动测试等实验。哈尔滨工程大学博士学位论文对形状记忆合金(S以)丝作为关节驱动器进行了实验研究。形状记忆合金丝受到电流信号激励时收缩速度很快,在空气中冷却比较慢,所以采用双向拉动的方法,实现单腿往复摆动,实验表明摆动频率低,针对这个问题提出对形状记忆合金丝先训练成固定形状,利用通电后形状记忆合金丝迅速恢复训练后的形状产生摆动的方法,实现仿生虫腿的驱动,但回复力矩比较小。两栖仿生机器蟹的实验研究是基于对海蟹分析和相关性能的研究,遵循“行为仿生,突出功能”的原则,设计了两栖仿生机器蟹的模型样机。样机采用并行8足的结构,每个步行足采用三自由度伺服驱动方式。为兼顾仿生物蟹外形的特点,两栖仿生机器蟹整体上采用扁平的流线型结构。论文提出了两栖仿生机器蟹的总体方案,并对多环并联结构机器人运动学、微型伺服驱动技术、机械仿生技术、DSP实时控制等关键技术开展了研究。借助运动学、动力学和优化分析的手段,以灵活性和稳定性为目标,获得了两栖仿生机器蟹结构优化参数模型。设计了两栖仿生机器蟹原理样机。……   
[关键词]:两栖仿生机器蟹;控制系统;关节驱动技术;数字信号处理器;形状记忆合金
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:哈尔滨工程大学2003年