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仿生蛇的设计及其运动仿真

作　者: 崔春
导　师: 卢泽生
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 仿生蛇结构设计运动规划控制系统运动仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

仿生学是生物科学与工程技术相结合的一门综合学科,通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制,来改进现有的或创造新的机械和仪器系统等,仿生学已经延伸到很多领域并取得了丰富的成果。本文主要对仿生蛇进行了研究。文中首先对自然界生物蛇的身体结构和运动形式进行了分析,介绍了蛇类的骨架结构和鳞片功能,并对蛇类常见的四种运动形式进行了分析。根据生物蛇骨架抽象出的模型设计出了一种正交的仿生蛇关节结构,在该结构中,电机分别固定在相邻的关节上,通过电机轴旋转使相邻关节相对转动。由于采用正交结构,该仿生蛇可以实现生物蛇常见的蜿蜒运动、蠕动、侧向运动、抬头运动,并可以实现生物蛇难以实现的翻滚运动。对仿生蛇的头部关节进行了设计,设计了一种可以实现夹紧功能的头部关节结构。对仿生蛇的蜿蜒运动、蠕动、翻滚运动、侧向运动做了运动规划,得出了实现相关运动形式所需的关节角度时间函数;对抬头运动进行了规划,通过力矩计算得出了一种所需力矩较小的抬头方式;建立了仿生蛇的一种带有PC机和无线传输的支持普通串行通信的单片机分层控制系统,并对控制系统的各个层面进行了分析。运用ADAMS仿真软件对仿生蛇的上述五种运动形式进行了运动学和动力学仿真。经过运动学仿真,验证了各种运动规划的合理性,得出了仿真动画和蛇体的运动轨迹;通过动力学仿真,得出了实现相关运动时关节所需的最大力矩,验证了电机是可以实现仿生蛇的相关运动形式的。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8
  1.2 国内外研究现状  8-12
    1.2.1 国外研究现状  8-11
    1.2.2 国内研究现状  11-12
  1.3 本课题的主要研究内容  12-14
第2章仿生蛇的结构设计  14-23
  2.1 蛇的身体结构及运动形式分析  14-17
    2.1.1 蛇的身体结构分析  14-15
    2.1.2 蛇的运动形式分析  15-17
  2.2 生物蛇骨架模型的抽象  17
  2.3 驱动方案的选择和比较  17-18
  2.4 仿生蛇的总体设计  18-22
    2.4.1 身体关节结构设计  18
    2.4.2 摩擦底面的设计  18-19
    2.4.3 头部关节的设计  19
    2.4.4 仿生蛇的组装  19-21
    2.4.5 仿生蛇的相关性能参数  21-22
  2.5 本章小结  22-23
第3章仿生蛇的运动规划及控制系统  23-34
  3.1 仿生蛇的运动规划  23-29
    3.1.1 蜿蜒运动的步态规划  23-26
    3.1.2 蠕动的运动规划  26-27
    3.1.3 翻滚运动的步态规划  27-28
    3.1.4 侧向运动的步态规划  28
    3.1.5 抬头运动的步态规划  28-29
  3.2 仿生蛇的控制系统  29-33
    3.2.1 控制系统的总体结构  30
    3.2.2 控制系统的各个层面  30-33
  3.3 本章小结  33-34
第4章仿生蛇的运动仿真研究  34-49
  4.1 蜿蜒运动的仿真研究  34-39
    4.1.1 蜿蜒运动的运动学仿真与分析  34-39
    4.1.2 蜿蜒运动的动力学仿真与分析  39
  4.2 蠕动的仿真研究  39-41
    4.2.1 蠕动的运动学仿真与分析  39-40
    4.2.2 蠕动的动力学仿真与分析  40-41
  4.3 翻滚运动的仿真研究  41-44
    4.3.1 翻滚运动的运动学仿真与分析  41-43
    4.3.2 翻滚运动的动力学仿真与分析  43-44
  4.4 侧向运动的仿真研究  44-46
    4.4.1 侧向运动的运动学仿真与分析  44-45
    4.4.2 侧向运动的动力学仿真与分析  45-46
  4.5 抬头运动的仿真研究  46-48
    4.5.1 规划前后仿生蛇抬头运动所需最大力矩的比较  46-47
    4.5.2 抬起部分旋转的仿真分析  47-48
  4.6 本章小结  48-49
结论  49-51
参考文献  51-55
致谢  55

仿生蛇的设计及其运动仿真

内容摘要

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