仿生机器蟹机构模型及控制系统研究

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本文围绕研制一台以河蟹为生物原形的多足仿生机器人这一目标,对机器人机构本体设计、几何模型的建立、模型的运动学和动力学分析、及运动控制系统的搭建等进行了研究。 首先,在建立机器蟹生物模型的基础上,综合分析了常见的多足步行机器人关节形式和驱动方式。总结以往设计中的缺陷,并综合考虑多足机器人灵活性要求,设计了机器蟹本体结构方案,进行了机构分析。 其次,阐述了机器蟹步行的特点,建立了单腿步行足的几何模型,运用D-H坐标法得到其运动学的正反解。对着地腿与地面形成的并联机构进行了运动学分析,运用并联机构影响系数的分析方法,得到身体平台的速度与各关节转角速度之间的关系式。同时,用Matlab中的Simulink模块对身体平台稳定横向运动进行了运动仿真,并对前行时的运动特点进行了分析。用牛顿欧拉公式和Morison公式对单腿步行足在水中受力情况做了分析。对机器人运动时的占空系数及其静态稳定性区域的判定问题进行了讨论。 此外,根据机器蟹控制性能的总体要求,制定了双层控制系统的方案。主要完成了下层系统中驱动电路、直流电机双闭环控制、传感器信号采集处理、总线通讯等软硬件模块的设计。 最后,对关节传动性能和驱动性能进行了测试,并针对机构特点与运动性能的分析,做了样机整体运动性能的实验。结果验证了机器蟹本体结构设计、控制系统软硬件模块的可行性,得到了一些有益的结论。
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