核電站事故現(xiàn)場環(huán)境極其惡劣,伴隨著大量的核輻射,以及事故產(chǎn)生的大量高溫、高壓的蒸汽,人類無法進入現(xiàn)場進行救災(zāi)任務(wù),因此,對核電站救災(zāi)機器人的研究十分必要和迫切。由于在復(fù)雜救災(zāi)環(huán)境下,機器人的穩(wěn)定平衡、重載靈活作業(yè)、能耗與時間的平衡分配、欠驅(qū)動行走等控制任務(wù)的實現(xiàn)極為困難,因此將救災(zāi)機器人主從控制與自律協(xié)同的研究作為核電站緊急救災(zāi)機器人基礎(chǔ)科學(xué)問題之一是具有重大意義的。本文以實現(xiàn)核電站復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)救災(zāi)環(huán)境中機器人的穩(wěn)定控制問題為目標(biāo),以救災(zāi)六足機器人為研究對象,對機器人的建模、步態(tài)規(guī)劃和控制問題進行了深入的研究,主要的研究內(nèi)容如下:1.本文在對救災(zāi)六足機器人機械結(jié)構(gòu)和拓撲結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,建立了救災(zāi)機器人的運動學(xué)模型。并對所建立的運動學(xué)模型進行分析求解,得到機器人的反解模型。針對救災(zāi)六足機器人作業(yè)時需要同時滿足穩(wěn)定性和快速性的要求,為機器人選擇了合理的步態(tài)。2.針對核電站救災(zāi)現(xiàn)場的非結(jié)構(gòu)的復(fù)雜環(huán)境,本文設(shè)計了綜合考慮機器人機構(gòu)特性和環(huán)境約束的MPC控制器。通過對救災(zāi)六足機器人的非線性的混合動力學(xué)系統(tǒng)的建模分析,以及對機器人腿部關(guān)節(jié)的非周期運動分析,利用橫向線性化技術(shù),將本文復(fù)雜的非線性模型...

【文章頁數(shù)】：147 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
abstract
主要符號對照表
第一章 緒論
    1.1 課題背景與研究意義
    1.2 核電站救災(zāi)機器人的研究現(xiàn)狀
        1.2.1 足式機器人的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 核電救災(zāi)環(huán)境下的足式機器人的研究現(xiàn)狀
    1.3 六足機器人的控制研究現(xiàn)狀
    1.4 六足機器人的容錯控制研究現(xiàn)狀
    1.5 六足機器人的能耗控制的研究現(xiàn)狀
    1.6 本文主要研究內(nèi)容
第二章 救災(zāi)六足機器人機構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)分析
    2.1 引言
    2.2 核電站救災(zāi)環(huán)境下救災(zāi)機器人的設(shè)計要求
    2.3 救災(zāi)六足機器人的機構(gòu)設(shè)計
        2.3.1 救災(zāi)六足機器人腿部設(shè)計
        2.3.2 救災(zāi)六足機器人整機設(shè)計
    2.4 救災(zāi)六足機器人的運動學(xué)分析
        2.4.1 坐標(biāo)系的建立
        2.4.2 位置反解模型
    2.5 救災(zāi)六足機器人的步態(tài)策略
    2.6 小結(jié)
第三章 救災(zāi)六足機器人帶約束的MPC控制器設(shè)計
    3.1 引言
    3.2 救災(zāi)六足機器人控制問題分析
    3.3 救災(zāi)六足機器人的動力學(xué)模型
    3.4 救災(zāi)六足機器人的非周期期望軌跡設(shè)計
        3.4.1 周期軌跡設(shè)計
        3.4.2 非周期軌跡設(shè)計
    3.5 救災(zāi)六足機器人的動態(tài)控制策略設(shè)計
        3.5.1 橫向線性化
        3.5.2 MPC控制器設(shè)計
    3.6 控制器的穩(wěn)定性分析
    3.7 仿真驗證
        3.7.1 平整地勢行走仿真
        3.7.2 不平地勢行走仿真
    3.8 小結(jié)
第四章 關(guān)節(jié)故障情況下救災(zāi)六足機器人的MPC控制器設(shè)計
    4.1 引言
    4.2 救災(zāi)六足機器人的故障及容錯策略分析
        4.2.1 執(zhí)行器的故障分析
        4.2.2 容錯控制策略
        4.2.3 故障間轉(zhuǎn)換分析
    4.3 關(guān)節(jié)故障情況下的救災(zāi)六足機器人的容錯控制器設(shè)計
        4.3.1 關(guān)節(jié)故障情況下的救災(zāi)六足機器人的混合動力學(xué)模型
        4.3.2 欠驅(qū)動系統(tǒng)橫向線性化
        4.3.3 容錯MPC控制器設(shè)計
    4.4 穩(wěn)定性分析
        4.4.1 控制算法的穩(wěn)定性
        4.4.2 機身的前進穩(wěn)定性
    4.5 仿真驗證
    4.6 小結(jié)
第五章 綜合考慮救援時間和能耗的最優(yōu)控制器設(shè)計
    5.1 引言
    5.2 綜合考慮救援時間和能耗的最優(yōu)控制問題分析
    5.3 救災(zāi)六足機器人的能耗模型
        5.3.1 運動學(xué)模型
        5.3.2 力學(xué)模型
        5.3.3 足端軌跡規(guī)劃
        5.3.4 救災(zāi)六足機器人的能耗模型
        5.3.5 能耗模型驗證
    5.4 綜合考慮救援時間和能耗的最優(yōu)控制器設(shè)計
        5.4.1 最優(yōu)問題的提出
        5.4.2 最優(yōu)控制器設(shè)計
    5.5 仿真驗證
    5.6 小結(jié)
第六章 救災(zāi)六足機器人的樣機實驗
    6.1 引言
    6.2 實驗系統(tǒng)的搭建
        6.2.1 樣機硬件實驗平臺
        6.2.2 軟件采用技術(shù)介紹
        6.2.3 軟件模塊化
        6.2.4 實驗平臺測試
    6.3 救災(zāi)六足機器人隨機添加障礙物實驗
    6.4 救災(zāi)六足機器人復(fù)雜地勢行走實驗
    6.5 綜合考慮救援時間和能耗的優(yōu)化控制實驗
        6.5.1 機器人行走穩(wěn)定性實驗
        6.5.2 機器人能耗實驗
        6.5.3 機器人綜合考慮時間和能耗實驗
    6.6 小結(jié)
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 研究內(nèi)容總結(jié)
    7.2 對未來的展望
參考文獻
致謝
攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
攻讀學(xué)位期間參與的項目



本文編號：4056035