本文關(guān)鍵詞：基于章魚(yú)仿生的柔性臂建模與控制

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【摘要】：目前,傳統(tǒng)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于偵查、探測(cè)、救援、醫(yī)療等領(lǐng)域,其建模方式、驅(qū)動(dòng)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(jī)器人在某些領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。軟體機(jī)器人在傳統(tǒng)剛性機(jī)器人愈來(lái)愈不能滿(mǎn)足人類(lèi)發(fā)展探索的需求時(shí)應(yīng)運(yùn)而生,彌補(bǔ)了剛性機(jī)器人的某些不足。而正是由于軟體機(jī)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(xiàng)挑戰(zhàn)。對(duì)于軟體機(jī)器人研究,研究人員啟發(fā)于自然界軟體動(dòng)物,開(kāi)辟了軟體仿生機(jī)器人新領(lǐng)域,其中章魚(yú)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(duì)章魚(yú)柔性臂的建模方式、角度控制和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三維手臂角度控制以及獲取目標(biāo)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。第一部分利用Cosserat理論建立線驅(qū)動(dòng)型章魚(yú)柔性臂數(shù)學(xué)模型,通過(guò)模擬手臂中線實(shí)現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。首先依據(jù)Cosserat梁理論建立粒子的空間坐標(biāo)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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(jì)每段線纜期望彎曲的張力分配值,利用MATLAB實(shí)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(guò)分析理論角度和實(shí)際角度輸出的相關(guān)性,在一定程度上驗(yàn)證該控制方法的準(zhǔn)確性。第二部分在線驅(qū)動(dòng)型章魚(yú)柔性臂的數(shù)學(xué)模型和控制方法的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)手臂按照期望曲線輸出。首先對(duì)輸入曲線進(jìn)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(jìn)行斜率分析,計(jì)算轉(zhuǎn)化為角度控制的張力值,輸出相應(yīng)角度的章魚(yú)臂姿勢(shì);最終利用相關(guān)性分析驗(yàn)證輸入曲線和輸出章魚(yú)臂曲線之間的準(zhǔn)確度。第三部分,在完成了章魚(yú)臂的靜態(tài)角度控制后,利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法實(shí)現(xiàn)手臂動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)GPTD算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)作連續(xù)變化,運(yùn)用貪婪算法實(shí)現(xiàn)尋找目標(biāo)的過(guò)程,仿真章魚(yú)臂從不同初始位置對(duì)目標(biāo)和障礙物的動(dòng)態(tài)反應(yīng)過(guò)程。整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程顯示當(dāng)章魚(yú)臂接觸到障礙物時(shí)退出訓(xùn)練過(guò)程,接觸到目標(biāo)時(shí)完成手臂彎曲圍繞的動(dòng)作。
【關(guān)鍵詞】：軟體機(jī)器人 章魚(yú)臂 Cosserat梁 角度控制 強(qiáng)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：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(yú)臂機(jī)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(dòng)方式13-16
• 1.2.4 控制方式16-17
• 1.3 論文的研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排17-19
• 第二章 線驅(qū)動(dòng)型章魚(yú)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(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)模型的建立22-25
• 2.3.1 章魚(yú)臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型23
• 2.3.2 章魚(yú)臂動(dòng)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(jì)算方法25-26
• 2.4.2 章魚(yú)臂彎曲角度控制算法26-29
• 2.4.3 手臂角度控制算法驗(yàn)證29-30
• 2.5 章魚(yú)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(dòng)型章魚(yú)臂的期望姿勢(shì)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(yú)臂姿勢(shì)的角度獲取37-40
• 3.2.1 章魚(yú)臂圖片曲線讀取37-38
• 3.2.2 章魚(yú)臂曲線斜率讀取38-40
• 3.3 章魚(yú)臂斜率優(yōu)化40-41
• 3.4 章魚(yú)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(yú)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(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的章魚(yú)臂動(dòng)態(tài)仿真48-61
• 4.1 二維多段章魚(yú)臂模型48-50
• 4.2 在線GPTD算法50-52
• 4.2.1 強(qiáng)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(jì)52-53
• 4.4 GPTD算法參數(shù)設(shè)置53-57
• 4.5 強(qiáng)化學(xué)習(xí)結(jié)果57-60
• 4.5.1 章魚(yú)臂運(yùn)動(dòng)軌跡57-58
• 4.5.2 章魚(yú)臂動(dòng)態(tài)獲取目標(biāo)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(xiàn)63-67
• 致謝67-68
• 附錄68

【相似文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：796648