宿舍学位论文-基于仿生的机器造型控制系统设计研究--修改.docx
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1、分类号 密 级 UDC 学校代码 10500 工程硕士学位论文题 目:基于仿生的机器控制系统设计研究英文题目:Design and Research on control system of the machine design based on Bionics学位申请人姓名:申请学位领域名称:控制工程指导教师姓名:二一五年五月分类号 密 级 UDC 学校代码 10500 工程硕士学位论文 题 目 基于仿生的机器控制系统设计研究 英文题目 Design and Research on control system of the machine design based on Bionics研究
2、生姓名(签名) 校内导师姓名(签名) 职 称 校外导师姓名(签名) 职 称 申请学位领域名称 领域代码 论文答辩日期 学位授予日期 学院负责人(签名) 评阅人姓名 评阅人姓名 2015年 5月 30日学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论
3、文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年 月 日 日期: 年 月 日摘 要近年来机器人渐渐融入于我们的生活中,传统机器人的行为是依赖一套动力学指令来控制它,在机器人学中进化式机器人一直是个重要的研究发展议题,主要是由机器人和机器人所在的环境两大因素所构成,而研究的目标,是要让进化式机器人能够自主开发一套行为来达成指派的任务,本篇论文运作在六足多关节仿生机器人上。为了
4、能不断的推成出新,创造出具实用性质的产品,设计师需要从较创新的观点去发展产品,因此本研究针对仿生如何运用在产品设计之构想发展中进行研究。目的在于建构出一完整的方法,提供一种创意思考的途径,以激发产品设计的想象力,了解仿生的特性、元素、建构方式及对自然生命的模拟所达到之效果。并解析产品功能与模仿生物的关系,借以学习并运用生物的特点使产品更能发挥其功能。本研究经由文献探讨加以整理后萃选出仿生设计元素,并于构想发展方法中结合萃选仿生设计元素,建构出仿生产品。本文依据昆虫的结构设计一个仿生物六脚机器人,并透过类比生物运动系统的阶层结构来设计六脚机器人的控制系统。此阶层结构由下至上分别为环境互动层、运动
5、控制层及步态控制层。环境互动层中使用生物反射运动的概念,提供六脚机器人在运动过程中能适应性地反应其运动碰撞的刺激;运动控制层进行指令运动行为;步态控制层负责步态运动行为生成。最后使用离散事件系统描述各阶层控制行为,并实现于本文所设计仿生物六脚机器人运动平台。本文中类比生物的运动控制结构,利用其阶层概念延伸至六脚机器人的控制系统,设计一个具有阶层结构的六脚机器人运动控制系统,并以此平台发展其运动控制行为。二十一世纪人类将进入老龄化社会,发展仿人机器人将弥补年轻劳动力的严重不足,解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题,并能开辟新的产业,创造新的就业机会。 关键词:六脚机器人、仿生物运动控制、反射
6、运动、控制系统设计与建模、昆虫步态行为。Abstract In recent years, the robot gradually into our lives, the traditional robots behavior is dependent on a set of dynamic instructions to control it, in evolutionary robotics robots is always an important research and development issues, mainly composed of the robot and robo
7、t environment two factors, and the research goal, is to make evolutionary robot is able to independently develop a set of actions to achieve the assigned task, this paper works in six foot articulated bionic robot. In order to be able to continue to push into new, to create a practical nature of the
8、 product, the designer needs to develop more innovative products from the point of view, this study focuses on how to use the idea of bionic research in product design and development. Aim to construct a complete method, approach provides a creative thinking, to stimulate the imagination of bionic p
9、roduct design, understanding the characteristics, elements, construction method and effect to the simulation of the natural life. And analysis of product function and imitating the biological relationship, in order to learn and apply the biological characteristics of the product can give full play t
10、o its function. In this study, through literature review to extract selected after finishing the bionic design elements, combined with the idea of the development of methods to extract selected bionic design elements, construct the bionic products. The design of a bio inspired hexapod robot based on
11、 insects, control system and hierarchical structure to design analog biological motion system of Hexapod robot. The hierarchical structure is built by interaction layer, control layer and gait control layer. The concept of using biological reflex movement interaction layer, provide the hexapod robot
12、 can adaptively reflect the motion collision in the course of the campaign to stimulate the instruction behavior; motion control; gait control layer is responsible for the gait behavior generation. Finally, using discrete event system to describe the hierarchical control behavior, and realized in th
13、e design of bio inspired hexapod robot motion platform. In this paper the analogy control structure of biological motion, control system using the hierarchical concept extends to the hexapod robot, the design of a class structure of the hexapod robot motion control system, and the development of the
14、 platform motion control behavior. In twenty-first Century, mankind will enter the aging society, the development of humanoid robots will make up the shortage of young labor force, to solve the domestic service and health care and other social problems of an aging society, and can open up new indust
15、ries, create new jobs.Key words:Hexapod Robot, Bio-Inspired Locomotion Control, Reflex, Control System Design and Modeling, Gaits Behavior of Insect.目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究背景11.2 研究目的与意义11.3 国内外研究现状21.4 问题描述21.5 论文架构说明3第二章 生物的运动控制原理42.1 生物运动控制的阶层结构42.2 反射运动5第三章 仿生物六脚机器人硬件控制平台83.1 硬件系统架构83.2 嵌
16、入式系统93.3 六脚机器人控制电路设计93.4 六脚机器人机构设计143.5 伺服马达控制原理173.5.1 脉波宽度调变183.5.2 伺服马达运动特性193.5.3 伺服马达位置回授取样203.5.4 伺服马达位置回授参考校正22第四章 六脚机器人阶层式行为建模与控制系统264.1 离散事件系统建模274.1.1 GRAFCET 的基本构件274.1.2 GRAFCET 的结构284.2 环境互动层行为建模294.2.1 机器人反射弧结构与碰撞侦测行为建模314.3 运动控制层行为建模324.3.1 运动控制层组成结构344.3.2 机器人控制指令信息封包与通讯协议设计354.3.3 机
17、器人控制操作范例394.3.4 机器人接收信息封包离散事件系统414.3.5 机器人运动控制离散事件系统444.3.6 PWM信号产生484.3.7 串列通道优先权排程控制器494.4 步态行为建模504.4.1 六脚机器人腿部运动及步态运动514.4.2 腿部运动离散事件控制器524.4.3 步态运动行为离散事件控制器53第五章 结论与展望56附录57参考文献73致谢 72第一章 绪论1.1 研究背景随着近代生物学的发展,人们发现生物对环境的适应性,能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、导航和探测等方面,有着我们人类以往技术所不可比拟的长处。人们透过研究生物系统在演化过程中逐渐形成的那些结
18、构和机能,着重揭示其组织结构的原理,评定其机能关系、适应方法、存活方法和自我更新方法等。把生物系统中可能应用的优越结构和物理学的特性相互结合使用,人类就可能得到在某些性能上比自然界形成的体系更为完善的仿生机械。模仿生物形态结构创造机械的技术有悠久的历史。十五世纪,意大利的列奥纳多达芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行,并绘制了扑翼机图。到十九世纪,各种自然科学有了较大的发展,人们利用空气动力学原理,制成了几种不同类型的单翼机和双翼滑翔机。1903 年,美国的莱特兄弟发明了飞机。然而,在很长一段时间内,人们对于生物与机器间到底有什么共同处还缺乏认识,因而只限于形体上的模仿。直到二十世纪中叶,由于原子能利
19、用、航天、海洋开发和军事技术的需要,迫切要求机械装置应具有适应性和高度的可靠性。而以往的各种机械装置远远不能满足要求,迫切需要寻找一条全新的技术发展途径和设计理论。在自然界中,生物通过物竞天择和长期的自身进化,已对自然环境具有高度的适应性。它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能和器官结构,远比人类所曾经制造的机械更为完善。 最近十年来电子、计算器、及控制技术的快速发展,使得各种仿生物机器人(机器昆虫、机器狗、人形机器人等)应运而生。其应用包括工业、军事、研究、商用、家庭甚至高科技领域等,因此吸引了各国研究人员积极投入研究。现今仿生机械人的研究和运用仅仅迈出了第一步,但从所取得的成果看,利用生
20、物界的许多有益构思来发展技术,是未来机器人发展的一个重要方向。1.2 研究目的与意义仿生物机器人是近年来极为热门的一项研究,为了提高现今移动机械人对环境的适应性,扩大人类在各种严酷地形的活动空间,传统以轮子或履带为运动基础的机器人已逐渐演进到以模仿生物结构的机器人来应付多变的地形与环境。许多机器人科学家和工程师都注意到:自然界的生物例如昆虫,总是能够在崎岖的路面顺畅的行进,相对于人类所设计的复杂机器人系统,这些简单的生物,却能呈现出具有高度环境适应性和强建性的行为。六脚机器人的研究因而引起许多研究者的高度兴趣。近年来机器人渐渐融入于我们的生活中,传统机器人的行为是依赖一套动力学指令来控制它,在
21、机器人学中进化式机器人一直是个重要的研究发展议题,主要是由机器人和机器人所在的环境两大因素所构成,而研究的目标,是要让进化式机器人能够自主开发一套行为来达成指派的任务,本篇论文运作在六足多关节仿生机器人上。本文中类比生物的运动控制结构,利用其阶层概念延伸至六脚机器人的控制系统,设计一个具有阶层结构的六脚机器人运动控制系统,并以此平台发展其运动控制行为。当指派任务给机器人,机器人如果只针对单一指标演化,是不够全面的,所以我们尝试采用多目标演化。从我们实验结果可以证明,六足机器人可以经由进化式算法立即调适进而改善机器人顺利达成指定任务。仿生机器人目前在西方国家,机械宠物十分流行,另外,仿生机器人可
22、以担任环境监测的任务,具有广阔的开发前景。二十一世纪人类将进入老龄化社会,发展仿人机器人将弥补年轻劳动力的严重不足,解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题,并能开辟新的产业,创造新的就业机会。1.3 国内外研究现状自1960 年开始,便有研究学者开始研究分析昆虫的运动模式,并从这些自然界昆虫的身上找寻灵感;Wilson1以实验与观察的方法研究美国大蟑螂的运动歩态,描述了蟑螂运动模型的特性;Holk Cruse 2透过研究昆虫(stick insect)的神经系统发展出人工神经网路:Walknet,成功应用于六脚机器人的步态运动控制上;Brooks345以扩充有限状态机(augmented f
23、inite state machine, AFSM)所构成的以行为为基础的机器人架构。McGhee 建立了许多六脚机器人的步行分析的模式6;Bessonov and Umnov 7发展了六脚机器人的直线型运动模型;另外Yang and Kim 8则提出一个适用在崎岖路面上行走的容错型六脚机器人。何谓仿生学呢?简单地说,就是以生物为师,模仿生物的科学。具体地说,仿生学是一门模仿生物的特质,利用生物的结构和功能原理来建造机器和技术的科学。丝蒂尔J. E .Steel于1960 提出仿生一词,并定义为一种系统科学,其功用的发展是根据有生命的系统。从人造系统的生命原型是新技术的钥匙的口号中,表明仿生学
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