靈長(zhǎng)類仿生機(jī)器人懸臂運(yùn)動(dòng)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(duì)機(jī)器人進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，其設(shè)計(jì)原理是提取蘊(yùn)藏于生物體中、通過(guò)生物進(jìn)化沉積下來(lái)的優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、組織以及信息傳遞的方式，通過(guò)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(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)類仿生機(jī)器人的“懸臂運(yùn)動(dòng)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(wèn)題，它對(duì)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(dòng)仿生的非線性控制為理論研究主體，以雙臂式靈長(zhǎng)類仿生機(jī)器人懸臂運(yùn)動(dòng)仿生的非線性控制為應(yīng)用研究對(duì)象，結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“靈長(zhǎng)類仿生機(jī)器人懸臂運(yùn)動(dòng)仿生與控制策略研究”，針對(duì)其懸臂運(yùn)動(dòng)仿生過(guò)程中的二維懸擺、三維懸擺、動(dòng)態(tài)懸擺、懸臂飛躍等問(wèn)題，展開(kāi)一類靈長(zhǎng)類仿生機(jī)器人的仿生懸臂運(yùn)動(dòng)控制研究。
　　基于拉格朗日算子定義了簡(jiǎn)

3、單機(jī)械系統(tǒng)，建立了機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，討論了機(jī)械控制系統(tǒng)的幾種常見(jiàn)類別，即全驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)、欠驅(qū)動(dòng)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(guò)分析靈長(zhǎng)類動(dòng)物的懸臂運(yùn)動(dòng)機(jī)理，利用拉格朗日方程建立了欠驅(qū)動(dòng)雙臂式靈長(zhǎng)類仿生機(jī)器人的二維與三維懸臂運(yùn)動(dòng)仿生動(dòng)力學(xué)模型。
　　針對(duì)二維仿生懸臂運(yùn)動(dòng)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(dòng)控制策略，完成了欠驅(qū)動(dòng)雙臂式靈長(zhǎng)類仿生機(jī)

4、器人的水平對(duì)稱仿生懸臂運(yùn)動(dòng)控制。鑒于SMC控制策略在對(duì)于動(dòng)態(tài)水平非對(duì)稱及水平面跨越仿生懸臂運(yùn)動(dòng)控制中存在的問(wèn)題，提出了基于動(dòng)態(tài)伺服控制（Dynamical Servo Control）理論的仿生懸臂運(yùn)動(dòng)控制策略，針對(duì)動(dòng)態(tài)水平非對(duì)稱仿生懸臂運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了基于SMC的動(dòng)態(tài)伺服控制器；針對(duì)全平面仿生懸臂運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了基于能量的動(dòng)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(duì)三維仿生懸臂運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)分析靈長(zhǎng)類動(dòng)物手腕組

5、成結(jié)構(gòu)，得到雙臂式靈長(zhǎng)類仿生機(jī)器人進(jìn)行三維懸臂運(yùn)動(dòng)仿生的最簡(jiǎn)動(dòng)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(dòng)控制中的動(dòng)態(tài)伺服控制策略設(shè)計(jì)了三維仿生懸臂運(yùn)動(dòng)控制器，有效地實(shí)現(xiàn)了三維仿生懸臂運(yùn)動(dòng)控制。針對(duì)懸臂飛躍運(yùn)動(dòng)仿生控制問(wèn)題，基于角動(dòng)量守恒原理，考慮雙臂式懸臂運(yùn)動(dòng)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(dòng)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?？刂频钠痫w前懸臂運(yùn)動(dòng)仿生姿

6、態(tài)控制策略，實(shí)現(xiàn)了懸臂飛躍運(yùn)動(dòng)仿生控制。
　　最后，針對(duì)一套雙臂式靈長(zhǎng)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(duì)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(shí)；并基于動(dòng)態(tài)伺服控制策略分別對(duì)常規(guī)仿生懸臂運(yùn)動(dòng)控制及動(dòng)態(tài)仿生懸臂運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)類仿生機(jī)器人的全平面仿生懸臂運(yùn)動(dòng)控制