本文關(guān)鍵詞：基于章魚仿生的柔性臂建模與控制

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【摘要】：目前,傳統(tǒng)機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于偵查、探測、救援、醫(yī)療等領(lǐng)域,其建模方式、驅(qū)動及控制方法等研究都已趨于成熟,但因其剛性結(jié)構(gòu)、有限的自由度和操作空間使得傳統(tǒng)機器人在某些領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。軟體機器人在傳統(tǒng)剛性機器人愈來愈不能滿足人類發(fā)展探索的需求時應(yīng)運而生,彌補了剛性機器人的某些不足。而正是由于軟體機器人的多自由度和柔性材質(zhì),使其建模方式和控制方法成為一項挑戰(zhàn)。對于軟體機器人研究,研究人員啟發(fā)于自然界軟體動物,開辟了軟體仿生機器人新領(lǐng)域,其中章魚因其特殊結(jié)構(gòu)和靈巧的抓取能力成為典型代表。本文針對章魚柔性臂的建模方式、角度控制和動態(tài)運動進行研究,設(shè)計并實現(xiàn)了三維手臂角度控制以及獲取目標的動態(tài)過程。第一部分利用Cosserat理論建立線驅(qū)動型章魚柔性臂數(shù)學(xué)模型,通過模擬手臂中線實現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等運動。首先依據(jù)Cosserat梁理論建立粒子的空間坐標系,在此基礎(chǔ)上分析線纜受力情況并建立精確的幾何模型,求解其運動學(xué)和動力學(xué)方程;然后根據(jù)線纜的放置位置和等效受力情況,設(shè)計每段線纜期望彎曲的張力分配值,利用MATLAB實現(xiàn)手臂在三維穩(wěn)態(tài)條件下的期望角度輸出;最后通過分析理論角度和實際角度輸出的相關(guān)性,在一定程度上驗證該控制方法的準確性。第二部分在線驅(qū)動型章魚柔性臂的數(shù)學(xué)模型和控制方法的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)手臂按照期望曲線輸出。首先對輸入曲線進行灰度化和二值化處理,去除圖片上輸入曲線以外的干擾;然后利用MATLAB讀入曲線并進行斜率分析,計算轉(zhuǎn)化為角度控制的張力值,輸出相應(yīng)角度的章魚臂姿勢;最終利用相關(guān)性分析驗證輸入曲線和輸出章魚臂曲線之間的準確度。第三部分,在完成了章魚臂的靜態(tài)角度控制后,利用強化學(xué)習(xí)的方法實現(xiàn)手臂動態(tài)運動。通過GPTD算法實現(xiàn)動作連續(xù)變化,運用貪婪算法實現(xiàn)尋找目標的過程,仿真章魚臂從不同初始位置對目標和障礙物的動態(tài)反應(yīng)過程。整個動態(tài)過程顯示當章魚臂接觸到障礙物時退出訓(xùn)練過程,接觸到目標時完成手臂彎曲圍繞的動作。
【關(guān)鍵詞】：軟體機器人 章魚臂 Cosserat梁 角度控制 強化學(xué)習(xí)
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP241
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-19
• 1.1 研究背景和意義10-11
• 1.2 章魚臂機器人的研究現(xiàn)狀11-17
• 1.2.1 生物結(jié)構(gòu)11-12
• 1.2.2 建模方式12-13
• 1.2.3 驅(qū)動方式13-16
• 1.2.4 控制方式16-17
• 1.3 論文的研究內(nèi)容和章節(jié)安排17-19
• 第二章 線驅(qū)動型章魚臂的彎曲角度控制19-34
• 2.1 微梁理論19-22
• 2.1.1 Cosserat理論19-20
• 2.1.2 Cosserat梁的運動學(xué)方程20-21
• 2.1.3 Cosserat梁的靜力學(xué)方程21-22
• 2.2 手臂內(nèi)嵌線纜配置22
• 2.3 手臂動態(tài)模型的建立22-25
• 2.3.1 章魚臂運動學(xué)模型23
• 2.3.2 章魚臂動力學(xué)模型23-25
• 2.4 手臂彎曲角度控制25-30
• 2.4.1 微分方程計算方法25-26
• 2.4.2 章魚臂彎曲角度控制算法26-29
• 2.4.3 手臂角度控制算法驗證29-30
• 2.5 章魚臂角度控制仿真結(jié)果30-33
• 2.5.1 手臂第一段彎曲角度控制30-32
• 2.5.2 完整手臂彎曲角度控制32-33
• 2.6 本章小結(jié)33-34
• 第三章 線驅(qū)動型章魚臂的期望姿勢仿真34-48
• 3.1 期望曲線的圖像處理34-37
• 3.1.1 圖片的灰度化處理34-35
• 3.1.2 二值化圖像處理35-37
• 3.2 章魚臂姿勢的角度獲取37-40
• 3.2.1 章魚臂圖片曲線讀取37-38
• 3.2.2 章魚臂曲線斜率讀取38-40
• 3.3 章魚臂斜率優(yōu)化40-41
• 3.4 章魚臂結(jié)果優(yōu)化分析41-47
• 3.4.1 相關(guān)性分析理論42-43
• 3.4.2 不同形狀章魚臂的修正結(jié)果分析43-47
• 3.5 本章小結(jié)47-48
• 第四章 基于強化學(xué)習(xí)算法的章魚臂動態(tài)仿真48-61
• 4.1 二維多段章魚臂模型48-50
• 4.2 在線GPTD算法50-52
• 4.2.1 強化學(xué)習(xí)原理50-51
• 4.2.2 TD算法51
• 4.2.3 GPTD算法51
• 4.2.4 在線稀疏化51-52
• 4.3 學(xué)習(xí)算法程序設(shè)計52-53
• 4.4 GPTD算法參數(shù)設(shè)置53-57
• 4.5 強化學(xué)習(xí)結(jié)果57-60
• 4.5.1 章魚臂運動軌跡57-58
• 4.5.2 章魚臂動態(tài)獲取目標58-60
• 4.6 本章小結(jié)60-61
• 第五章 總結(jié)與展望61-63
• 5.1 研究總結(jié)61
• 5.2 后續(xù)展望61-63
• 參考文獻63-67
• 致謝67-68
• 附錄68

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本文編號：796648