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蛇形机器人步态研究及在桥梁缆索检测中的应用

作　者: 蒋湘军
导　师: 魏武
学　校: 华南理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 蛇形机器人步态规划运动学动力学微分几何 Frenet-Serret 桥梁缆索检测
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

当今对仿生机器人的研究越来越多,从机器狗、仿人机器人,到各种微型仿生机器人,蛇形机器人也由于其特殊的结构以及非常强的环境适应能力获得了广泛的研究。蛇形机器人的步态多样,而且会因为本体结构的不同设计而能实现不同的步态。本课题在蛇形机器人形态学基础上利用微分几何知识研究蛇形机器人的步态规划,为蛇形机器人步态规律提出完整的数学描述,并将所设计的步态运用到桥梁缆索检测中。本文主要的研究内容如下:(1)设计蛇形机器人本体结构系统,其中主要采用正交关节结构,这种关节结构简单,但可以实现多种步态,最重要的是可以较容易实现三维螺旋爬杆运动,这步态为蛇形机器人在桥梁缆索检测上的应用奠定了基础。(2)建立蛇形机器人运动学模型和动力学模型,运动学模型描述蛇形机器人运动过程中的形状特性,动力学模型描述蛇形机器人的力与运动之间的关系。运动学模型主要将蛇形机器人抽象成连杆模型,分析蛇形机器人在运动过程中各关节的位置与方向;而动力学模型是建立蛇形机器人的粘性摩擦力模型,利用牛顿-欧拉方程来建立,分析蛇形机器人的运动本质。(3)分析自然界中蛇的运动轨迹,研究其运动规律,利用扩展Frenet-Serret公式为蛇形机器人的步态运动提出完整的数学描述,并在仿真软件与实体蛇形机器人中实现蛇形机器人的二维、三维步态运动。最后基于蛇形机器人的三维螺旋运动,对蛇形机器人的桥梁缆索检测中的应用进行了分析讨论。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章绪论  9-17
  1.1 课题背景和选题意义  9-11
  1.2 蛇形机器人研究状况  11-15
  1.3 蛇形机器人步态规划现状  15-16
    1.3.1 二维步态运动研究现状  15-16
    1.3.2 三维步态运动研究现状  16
  1.4 本文主要工作和结构安排  16-17
第二章蛇形机器人的结构设计和数学模型分析  17-43
  2.1 引言  17
  2.2 蛇形机器人结构设计  17-22
    2.2.1 蛇的生理构造介绍  17-18
    2.2.2 蛇形机器人设计  18-22
  2.3 蛇形机器人运动学模型  22-34
    2.3.1 D-H（Denavit-Hartenberg）变换模型  22-25
    2.3.2 非完整约束运动学模型  25-27
    2.3.3 背骨模型  27-30
    2.3.4 蛇形机器人连杆模型  30-34
  2.4 蛇形机器人动力学模型  34-41
    2.4.1 摩擦力介绍  34-35
    2.4.2 蛇形机器人库伦摩擦力模型  35-36
    2.4.3 蛇形机器人粘性摩擦力模型  36-37
    2.4.4 牛顿-欧拉方程  37-38
    2.4.5 基于牛顿-欧拉方程的蛇形机器人动力学模型  38-40
    2.4.6 蛇形机器人动力学分析  40-41
  2.5 本章小结  41-43
第三章蛇形机器人运动步态规划及实验分析  43-64
  3.1 引言  43
  3.2 蛇形机器人步态运动  43-46
    3.2.1 蜿蜒运动  43-44
    3.2.2 伸缩运动  44-45
    3.2.3 侧移运动  45
    3.2.4 蛇形机器人其它步态  45-46
  3.3 基于蛇形态学的微分几何蛇形机器人步态研究  46-55
    3.3.1 曲线微分几何基础  46-47
    3.3.2 Frenet-Serret 公式  47-49
    3.3.2 基于微分几何的蛇形机器人运动轨迹模型  49-53
    3.3.3 基于形态学的蛇形机器人步态规划  53-55
  3.4 蛇形机器人运动分析  55-60
  3.5 蛇形机器人步态仿真及实体实验  60-62
    3.5.1 二维步态运动仿真及实验  60-61
    3.5.2 三维螺旋运动仿真及实验  61-62
  3.6 本章小结  62-64
第四章蛇形机器人在桥梁缆索检测中的应用  64-70
  4.1 引言  64
  4.2 桥梁缆索无损检测  64-66
    4.2.1 桥梁缆索系统  64-65
    4.2.2 桥梁缆索需要检测的方面  65-66
  4.3 基于蛇形机器人的桥梁缆索无损检测系统  66-69
    4.3.1 多单目视觉检测系统  67-68
    4.3.2 无损漏磁检测系统  68-69
  4.4 本章小结  69-70
本文总结和后期研究展望  70-71
参考文献  71-74
攻读硕士学位期间取得的研究成果  74-75
致谢  75

蛇形机器人步态研究及在桥梁缆索检测中的应用

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