惯性策动力驱动的软体球形机器人多模式运动研究

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1、硕士学位论文惯性策动力驱动的软体球形机器人多模式运动研究RESEARCHONMULTI-MODELOCOMOTIONFORINERTIADRIVINGFORCEACTUATINGSOFTSPHERICALROBOT陈邦祥哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文惯性策动力驱动的软体球形机器人多模式运动研究硕士研究生：陈邦祥导师：蔡鹤皋教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年6月授予学

2、位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.2U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONMULTI-MODELOCOMOTIONFORINERTIADRIVINGFORCEACTUATINGSOFTSPHERICALROBOTCandidate：ChenBangxiangSupervisor：Prof.CaiHegaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineering

3、Speciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要软体机器人是驱动元件或执行元件由柔软材料构成，能产生大幅度变形的机器人。由于含有柔性的运动构件，相比由刚性构件组成的传统机器人，软体机器人能展现够灵活的运动，具有灵巧、

4、安全和适应性高的特点，在服务、教育、食品等领域有极大的应用前景。不过软体机器人同样存在着驱动能力有限、运动效率不高的缺点。相反，球形机器人主要以滚动的方式运动，有很高的运动效率，但滚动的运动方式对地形的要求比较高，适应性、抗干扰性差。将软体机器人与球形机器人结合可以使二者的特点互补，提供高效且稳定的运动。基于软体球形机器人的概念，本文提出了一种新型的惯性策动力驱动方式，以惯性负载产生的惯性力驱动机器人运动。在基于软体机器人安全、适应性高的特点上，设计包含滚动、跳动的软体球形机器人多模式运动。分析在不同运动模式下

5、机器人的受力模型，建立机器人的动力学模型。研究驱动力与机器人运动的协调关系，考察不同运动参数下，单个周期内机器人运动的特点。针对不同的驱动电机运动参数，进行机器人的运动仿真研究，分析机器人连续运动下驱动力与运动的关系。连续稳定的机器人运动需要规划与控制。本文提出一种基于期望运动的规划算法，基于对运动的需求，提出理想弹簧振子模型，将需求的运动参数代入理想的运动模型产生理想的规划运动。根据规划的机器人运动规律曲线反向推导机器人驱动电机的运动，生成运动参数。对做出规划的运动参数仿真研究，验证这种规划方式的有效性。提出

6、基于位置偏差的转速调节控制算法，建立机器人运动的闭环控制。本文进行软体球形机器人样机的设计，将机械结构与柔性球壳结合。以伺服电机带动惯性负载的方式产生驱动力驱动机器人，以重启的柔性球壳为提供机器人样机提供必要的柔性以及充当球形外壳。针对伺服电机搭建电机控制单元，完成对伺服电机的位置、速度控制，利用加速度传感器检测反馈信号，建立软体球形机器人闭环运动实验平台。利用建立的实验平台对惯性策动力驱动下的软体球形机器人多模式运动进行实验研究，实现机器人样机的滚动和跳动运动，并对机器人样机的运动进行优化。实验验证了惯性策动

7、力驱动模式的有效性。关键词：惯性策动力；软体机器人；球形机器人；多模式运动I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSoftrobotsarerobotswhoseactuatorsaremadeofsoftmaterialsprovidinglarge-scaledeformation.Duetothesoftcomponents,softrobots’locomotionismuchmoreflexiblewhencomparedwithtraditionalrobotsconsistingofrig

8、idparts.Softrobotsareflexible,safeandadaptive,showingahugepotentialintheapplicationofservicebusiness,educationandfoodindustryetc.However,softrobotsshowweaknessintheenhancementofactuationandlowef