靈長類仿生機(jī)器人懸臂運(yùn)動仿生與控制策略研究.pdf

1、仿生機(jī)器人是從仿生學(xué)的角度對機(jī)器人進(jìn)行研究和開發(fā)，其設(shè)計(jì)原理是提取蘊(yùn)藏于生物體中、通過生物進(jìn)化沉積下來的優(yōu)秀的運(yùn)動學(xué)、組織學(xué)、形態(tài)學(xué)及其綜合作用效果的特性，并將這些特性相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、組織以及信息傳遞的方式，通過機(jī)械的、電子的、化學(xué)的或其它現(xiàn)代科技手段進(jìn)行某些特定環(huán)境的再現(xiàn)。靈長類仿生機(jī)器人作為一類特殊的仿生機(jī)器人系統(tǒng)，其仿生懸臂運(yùn)動控制逐漸成為仿生控制領(lǐng)域富有挑戰(zhàn)性的研究熱點(diǎn)之一。靈長類仿生機(jī)器人的“懸臂運(yùn)動仿生”綜合了非線性控制

2、、功能仿生、實(shí)物模擬等諸多具有挑戰(zhàn)性的問題，它對于人類師法自然、拓展作用領(lǐng)域、探究未知具有重要意義。本論文以懸臂運(yùn)動仿生的非線性控制為理論研究主體，以雙臂式靈長類仿生機(jī)器人懸臂運(yùn)動仿生的非線性控制為應(yīng)用研究對象，結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“靈長類仿生機(jī)器人懸臂運(yùn)動仿生與控制策略研究”，針對其懸臂運(yùn)動仿生過程中的二維懸擺、三維懸擺、動態(tài)懸擺、懸臂飛躍等問題，展開一類靈長類仿生機(jī)器人的仿生懸臂運(yùn)動控制研究。
　　基于拉格朗日算子定義了簡

3、單機(jī)械系統(tǒng)，建立了機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)模型，討論了機(jī)械控制系統(tǒng)的幾種常見類別，即全驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)、欠驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)、平滑機(jī)械系統(tǒng)和非完整機(jī)械系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，通過分析靈長類動物的懸臂運(yùn)動機(jī)理，利用拉格朗日方程建立了欠驅(qū)動雙臂式靈長類仿生機(jī)器人的二維與三維懸臂運(yùn)動仿生動力學(xué)模型。
　　針對二維仿生懸臂運(yùn)動控制，基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論（Sliding Mode Control，SMC）設(shè)計(jì)了仿生懸臂運(yùn)動控制策略，完成了欠驅(qū)動雙臂式靈長類仿生機(jī)

4、器人的水平對稱仿生懸臂運(yùn)動控制。鑒于SMC控制策略在對于動態(tài)水平非對稱及水平面跨越仿生懸臂運(yùn)動控制中存在的問題，提出了基于動態(tài)伺服控制（Dynamical Servo Control）理論的仿生懸臂運(yùn)動控制策略，針對動態(tài)水平非對稱仿生懸臂運(yùn)動控制，設(shè)計(jì)了基于SMC的動態(tài)伺服控制器；針對全平面仿生懸臂運(yùn)動控制，設(shè)計(jì)了基于能量的動態(tài)伺服控制器，仿真實(shí)驗(yàn)證明了所述控制策略的有效性。
　　針對三維仿生懸臂運(yùn)動控制，通過分析靈長類動物手腕組

5、成結(jié)構(gòu)，得到雙臂式靈長類仿生機(jī)器人進(jìn)行三維懸臂運(yùn)動仿生的最簡動力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上基于自抗擾控制理論并結(jié)合二維仿生懸臂運(yùn)動控制中的動態(tài)伺服控制策略設(shè)計(jì)了三維仿生懸臂運(yùn)動控制器，有效地實(shí)現(xiàn)了三維仿生懸臂運(yùn)動控制。針對懸臂飛躍運(yùn)動仿生控制問題，基于角動量守恒原理，考慮雙臂式懸臂運(yùn)動仿生機(jī)器人進(jìn)行仿生懸臂飛躍時(shí)目標(biāo)點(diǎn)的位置，規(guī)劃系統(tǒng)的空中姿態(tài)以及身體旋轉(zhuǎn)，基于逆運(yùn)動學(xué)分析方法，獲得起飛時(shí)刻系統(tǒng)位姿，提出了基于分層滑模控制的起飛前懸臂運(yùn)動仿生姿

6、態(tài)控制策略，實(shí)現(xiàn)了懸臂飛躍運(yùn)動仿生控制。
　　最后，針對一套雙臂式靈長類仿生機(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了易于工程實(shí)現(xiàn)的非線性控制器。進(jìn)行了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)（ADAMS-MATLAB）的準(zhǔn)實(shí)物與實(shí)物實(shí)驗(yàn)研究，針對實(shí)物系統(tǒng)的物理參數(shù)，基于卡爾曼濾波方法進(jìn)行了參數(shù)辨識；并基于動態(tài)伺服控制策略分別對常規(guī)仿生懸臂運(yùn)動控制及動態(tài)仿生懸臂運(yùn)動控制，進(jìn)行了實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的控制方案可有效的實(shí)現(xiàn)雙臂式靈長類仿生機(jī)器人的全平面仿生懸臂運(yùn)動控制