论文摘要：基于振动吸附的仿生爬壁蠕虫机器人设计与控制研究

传统爬壁机器人多采用真空吸附，这种方式往往需要携带真空发生动力装置，导致机器人结构复杂，体积和能耗大，对控制系统要求高，给爬壁机器人的小型化和轻量化造成困难；同时，真空动力源工作时会产生较大的噪音和振动，从而造成环境污染。因此，研究开发基于无动力源的小型化爬壁机器人具有重要的现实意义。为此，本论文针对基于振动吸附的仿生爬壁蠕虫机器人设计与控制问题展开了如下研究：1. 首先对国内外现有的爬壁机器人研究成果和现状进行了总结，在对爬壁机器人的吸附方式进行归纳和分析的基础上，提出利用振动吸附方式构建爬壁机器人的设计思想。2. 基于振动吸附机理，根据单吸盘腔内气压与振动频率和振幅的关系，建立了振动吸附的力学模型。分析和仿真结果表明：振动频率越高、振幅越大，吸盘内气压也越低。在理论分析和实验研究的基础上，设计开发了基于振动吸附原理的吸附模块和关节模块，为构建爬壁机器人打下了基础。3. 基于爬壁蠕虫的动作机理，提出了基于多关节链式结构的爬壁机器人基本构型。分别采用三角波和梯形波，对其进行了步态规划和实验研究。在此基础上，通过借鉴自然界尺蠖与松毛虫结构，设计了两种仿生爬壁蠕虫结构并进行了运动和仿生学分析。针对尺蠖结构仿生机器人，采用非对称态控制方法，建立了尺蠖机器人的运动控制模型；针对松毛虫结构的爬壁蠕虫机器人，则采用四连杆运动学模型对其进行了步态规划和竖直壁面爬行实验研究。4. 基于仿生机构的四连杆、五连杆运动模型，建立了满足具有固定约束的爬壁蠕虫机器人运动必须遵循的条件。基于此条件给出了适合爬壁蠕虫机器人步态规划的研究方法，进而建立了受吸盘约束的爬壁蠕虫机器人运动的一般控制理论和方法。5. 基于中枢神经发生器（CPG）机理，并结合爬壁蠕虫机器人的实际构型，建立了机器人的关节运动与CPG控制模型的变换关系，进而设计了爬壁机器人的二维运动CPG控制器，并对CPG控制器的主要参数（幅值、周期、偏移量、相差）进行了整定。在此基础上，基于所开发的CPG控制器进行了爬壁机器人的实验研究。本研究在无动力源爬壁机器人设计、规划、控制等方面取得了一定的成果，为爬壁机器人的进一步研究、开发奠定了理论和应用基础，相关的成果可以用于仿生机器人、多足步行机器人、特种机器人。

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