【摘要】：過(guò)去的數(shù)十年中,蛇形機(jī)器人領(lǐng)域在軟硬件設(shè)計(jì)上得到長(zhǎng)足發(fā)展,使其外形更趨于生物特點(diǎn),使更多生物蛇運(yùn)動(dòng)步態(tài)在其平臺(tái)上得到實(shí)現(xiàn)。但蛇形機(jī)器人作為一種仿生機(jī)器人,其某種工程應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)依托于多功能模塊的實(shí)現(xiàn)與配合,因此蛇形機(jī)器人的工程應(yīng)用仍寥寥無(wú)幾。因而本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套具有軌跡跟蹤,管道穿行功能及自探索功能的蛇形爬行機(jī)器人系統(tǒng)。此外,自探索系統(tǒng)的功能為當(dāng)蛇形機(jī)器人進(jìn)入某未知環(huán)境時(shí),其可自規(guī)劃確定探索目標(biāo)并到達(dá)該目標(biāo)點(diǎn),并其循環(huán)該過(guò)程以致整個(gè)環(huán)境被探索同時(shí)構(gòu)繪一張環(huán)境地圖,因而探索目標(biāo)的決策算法優(yōu)劣將大大影響探索系統(tǒng)的探索效率,本文提出一種新的決策算法用以提高系統(tǒng)探索效率。最終,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)蛇形機(jī)器人系統(tǒng)的有效性,同時(shí)通過(guò)與決策算法領(lǐng)域的代表算法進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證本文決策算法使探索系統(tǒng)具有更高的探索效率。本文主要圍繞蛇形機(jī)器人的導(dǎo)航與控制展開(kāi)研究。本文既借鑒生物運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式領(lǐng)域的研究成果,又參考自探索算法的算法機(jī)制,結(jié)合無(wú)模型模糊邏輯控制器,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人自探索任務(wù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:第一,設(shè)計(jì)蛇形機(jī)器人蜿蜒模態(tài)發(fā)生器。蛇形機(jī)器人仿照生物蛇類運(yùn)動(dòng)時(shí)模態(tài),蛇類通過(guò)全身肌肉組織節(jié)律性伸縮變換才可產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因而第一步工作需要借鑒、參考蛇類運(yùn)動(dòng)物理學(xué)及動(dòng)力學(xué)原理,從而選擇元器件搭建蛇形機(jī)器人平臺(tái)。此外,蜿蜒運(yùn)動(dòng)是蛇類運(yùn)動(dòng)最為主要的方式,這一部分工作需要設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)模態(tài)發(fā)生器以在蛇形機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng),同時(shí)分析其參數(shù)與蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的潛在聯(lián)系,得到可控制蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)線速度與運(yùn)動(dòng)方向的控制量。該部分工作為隨后控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考控制量與底層運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。第二,蛇形機(jī)器人的軌跡跟蹤控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能為:蛇形機(jī)器人可以從環(huán)境中某起始點(diǎn)出發(fā),逐漸向期望路徑逼近并最終跟隨期望路徑至路徑終點(diǎn)附近。第一部分工作已可對(duì)蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。因而本部分工作著重于根據(jù)蛇形機(jī)器人平臺(tái)與所選模態(tài)發(fā)生器設(shè)計(jì)適宜控制器以及集成所設(shè)計(jì)控制器、平臺(tái)式位姿反饋模塊以及模態(tài)發(fā)生器完成軌跡跟蹤控制系統(tǒng)。第三,蛇形機(jī)器人的穿行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該部分工作為設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)使蛇形機(jī)器人可以從某管道入口出發(fā),不斷自主進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路線規(guī)劃與跟隨設(shè)計(jì)路徑直至通過(guò)目標(biāo)未知管道。從仿生的角度出發(fā),生物的定位多選用捷聯(lián)傳感器定位而非平臺(tái)式傳感器。因此本部分工作在軌跡跟蹤控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,首先根據(jù)蛇形機(jī)器人特點(diǎn)選擇可以實(shí)現(xiàn)自定位的捷聯(lián)傳感器和定位算法來(lái)代替軌跡跟蹤系統(tǒng)的平臺(tái)式定位模塊,隨后選擇一種合適的路徑規(guī)劃器算法用以生成期望路徑。因而,若在確定目標(biāo)點(diǎn)(每次路徑規(guī)劃時(shí)將可視范圍內(nèi)最遠(yuǎn)點(diǎn)視作目標(biāo)點(diǎn))的情況下,穿行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可使蛇形機(jī)器人在某探明區(qū)域內(nèi)由某起點(diǎn)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)附近,確保隨后設(shè)計(jì)探索任務(wù)中,蛇形機(jī)器人在確定探索目標(biāo)點(diǎn)后可到達(dá)該點(diǎn)附近。第四,蛇形機(jī)器人探索系統(tǒng),即蛇形機(jī)器人由外界進(jìn)入待探測(cè)區(qū)域,自我規(guī)劃探索目標(biāo)并依托穿行控制系統(tǒng)逼近已規(guī)劃目標(biāo),同時(shí)構(gòu)建環(huán)境地圖,直至未知環(huán)境被完全探明。本部分工作的貢獻(xiàn)點(diǎn)一在于為蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)更為高效的探索目標(biāo)點(diǎn)決策機(jī)制以縮短未知環(huán)境探索時(shí)耗,貢獻(xiàn)點(diǎn)二在于集成實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的探索系統(tǒng),包括穿行控制系統(tǒng)的所有模塊與一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)決策模塊。綜上所述,本文設(shè)計(jì)的蛇形機(jī)器人自探索功能在蛇形機(jī)器人工程系統(tǒng)集成方面進(jìn)行了大量的探索,并為蛇形機(jī)器人的工程應(yīng)用提供了一種方式。
【圖文】：

逡逑在生物學(xué)中，早于１９４６年，，英國(guó)動(dòng)物學(xué)家ＧｒａｙＪ發(fā)表于實(shí)驗(yàn)生物學(xué)期刊的逡逑文章中將自然界蛇類的運(yùn)動(dòng)劃分為四種基本運(yùn)動(dòng)模態(tài)［１］，如圖１．１。逡逑（ａ）

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文邐＾逡逑此后該實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的ＡＣＭ邋Ｒ５邋（如圖１．２）是一種具有三維運(yùn)動(dòng)能力的水陸兩逡逑棲蛇形機(jī)器人，其每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元具有俯仰和偏航兩個(gè)自由度，操縱者可通過(guò)遠(yuǎn)程逡逑控制器遙控該機(jī)器人于陸地或水中運(yùn)動(dòng)。ＡＣＭ－Ｒ５［６＿７］機(jī)器人在陸地環(huán)境實(shí)現(xiàn)的運(yùn)逡逑動(dòng)模態(tài)有蜿蜒運(yùn)動(dòng)，側(cè)向翻滾運(yùn)動(dòng)和側(cè)向蜿蜒運(yùn)動(dòng)，在水中實(shí)現(xiàn)的步態(tài)有蜿蜒運(yùn)逡逑動(dòng)，其余模態(tài)還未進(jìn)行系統(tǒng)研究。逡逑ＯｍｎｉＴｒｅａｄ氣動(dòng)蛇形機(jī)器人由密歇根大學(xué)于２００４－２００５年研發(fā)完成［８］，其設(shè)逡逑計(jì)初衷在于將蛇形機(jī)器人應(yīng)用于多障礙物的復(fù)雜環(huán)境中。該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元（如逡逑圖１．３）間通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸連接，連接處的風(fēng)管裝置通過(guò)反復(fù)的充氣、放氣循環(huán)動(dòng)作逡逑促使該節(jié)做出各種不同的動(dòng)作。因此機(jī)器人可以通過(guò)協(xié)調(diào)全身所有關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)實(shí)逡逑現(xiàn)整體的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，如翻滾、蠕動(dòng)等。此外，ＯｒａｎｉＴｒｅａｄ還裝配有履帶驅(qū)動(dòng)設(shè)備，逡逑因而可保證其運(yùn)動(dòng)模態(tài)在粗糙平面上柔順度。逡逑ｍ逡逑圖１．３氣動(dòng)蛇形機(jī)器人逡逑卡耐基梅隆大學(xué)研發(fā)的蛇形機(jī)器人Ｕｎｃｌｅ邋Ｓａｍ邋（如圖１．４）具有緊湊的機(jī)械逡逑結(jié)構(gòu)，由許多正交關(guān)節(jié)組成，可以在三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)蜿蜒、滾動(dòng)和扭曲［９］，還能逡逑通過(guò)纏繞柱體實(shí)現(xiàn)垂直攀爬運(yùn)動(dòng)。逡逑圖邋１．邋４邋Ｕｎｃｌｅ邋Ｓａｍ逡逑５逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2702176