轮浆腿一体两栖机器人优化设计与运动控制方法研究

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题名	轮浆腿一体两栖机器人优化设计与运动控制方法研究
作者	唐元贵
学位类别	博士
答辩日期	2010-05-20
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	中国科学院沈阳自动化研究所
导师	张艾群 ; 张竺英
关键词	两栖机器人轮桨-足板复合驱动机构多目标优化设计运动规划仿生运动控制
其他题名	Research on Methods of Optimization Design and Motion Control for Wheel-propeller-leg Integrated Amphibious Robot
学位专业	机械电子工程
中文摘要	本文结合国家863计划和国家自然科学基金资助课题“轮桨腿一体两栖机器人研究”的研究内容，根据近海岸典型环境特点和使命任务需求，提出了一种基于轮桨和足板相结合的两栖机器人混合驱动模式；围绕两栖机器人多运动模式的综合运动性能，开展了基于轮桨-足板复合式驱动机构的两栖机器人优化设计、运动规划和协调控制研究，通过搭建的两栖机器人实验平台进行了机器人陆地爬行和水中浮游综合运动性能的实验验证，实现了两栖机器人多运动模式下综合运动性能的优化，形成了基于轮桨-足板复合驱动机构的两栖机器人优化设计理论基础，并为两栖机器人综合运动性能实现提供了有效的运动控制策略和方法。本文重点研究影响两栖机器人综合运动能力的关键技术，如机器人载体构形、结构参数的多目标优化、运动规划和控制策略等问题，并通过搭建的两栖机器人实验平台进行了相关理论和方法的验证。本论文主要研究内容如下：(1) 根据两栖机器人典型作业环境和任务模型，研究了基于轮桨和足板复合式驱动机构的两栖机器人载体构形优化与设计问题。建立了基于平稳随机过程理论的两栖环境模拟模型和以机器人运动性能指标为指导的典型任务模型，根据两栖机器人对环境的适应性要求，提出一种采用轮桨和足板相结合的混合驱动模式，并通过构形分析和设计确定了两栖机器人系统的总体结构；研究了两栖机器人多运动模式的运动机理及其运动实现策略，对机器人机械系统设计和控制系统构成进行了概述，为论文后续研究内容的开展奠定了良好的基础；(2) 研究了以两栖机器人陆地和水中的综合运动性能优化为目标，基于多目标优化理论的机器人轮桨-足板驱动机构优化设计问题。构建了两栖机器人驱动机构在多运动模式下综合运动性能的多目标优化问题数学模型，采用混合优化策略，求解得到两栖机器人驱动机构设计参数的Pareto最优解集；针对最终解的决策问题，提出采用模糊多目标评价方法，得到驱动机构各设计变量的最优解，仿真实验验证了优化设计的结果；(3) 研究了轮桨腿一体两栖机器人的运动规划问题。针对两栖机器人作业环境和运动模式的不同，分别展开基于爬行和浮游的运动规划研究。根据两栖机器人爬行模式的不同，提出了适于典型六足爬行机器人基本运动的“3＋3”节律性神经网络步态、“2＋2”基本越障步态和“4＋2”高级越障步态；围绕机器人在驱动模式切换过程中的运动学冗余问题，提出了避免回转关节运动学奇异的运动规划算法；根据系统可通过自带的能源以自主模式运动的特点，对机器人轮桨-足板混合推进的推力匹配问题进行了规划研究，得到以能耗利用最优为目标的推力匹配优化结果；(4) 结合轮桨腿一体两栖机器人运动特点，提出了采用基于生物CPG(Central Pattern Generator)控制器模型实现对机器人基本爬行和浮游运动的通用控制方法。阐述了CPG的控制机理，分析了CPG控制的特点及其在两栖机器人运动控制问题中的适用性；针对两栖机器人控制系统的特点，设计了机器人系统的控制实现方案；通过对机器人CPG控制模型的研究，提出了适于两栖机器人多运动模式切换的CPG控制策略；(5) 通过基于虚拟样机和实验平台的两栖机器人综合运动实验验证了运动规划和CPG控制策略下机器人的综合运动效果。分别针对机器人陆地直线爬行的步态相位保持、转向步态协调和水下轮桨、足板推进及轮桨-足板混合推进的综合运动，进行了实验研究和分析，证明了所提规划和控制策略的有效性。
索取号	TP242/T29/2010
语种	中文
公开日期	2012-07-27
分类号	TP242
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.ac.cn/handle/173321/9279]
专题	沈阳自动化研究所_水下机器人研究室
推荐引用方式 GB/T 7714	唐元贵. 轮浆腿一体两栖机器人优化设计与运动控制方法研究[D]. 中国科学院沈阳自动化研究所. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2010.