基于异形轮组合的小型机器人越障性能研究

摘要

移动机器人在军事侦察、灾后搜救、消防排爆、农田监测、月球探测等多个领域的应用逐渐成为潮流。而这些特殊领域的使用环境往往是非规则的复杂地形，如野外丛林、地震后的废墟、火灾后的建筑物、崎岖的山地、坑坑洼洼的月球表面等，因此研究移动机器人的越障方式和能力成为众多学者的方向之一。此外，这些应用环境中的大多数是小型机器人，即需要具有体积小、重量轻、具有一定的承载力、环境适应能力强、机动性高等特点。一直困扰人们的是小型化和越障能力的矛盾，本文兼顾机器人的行走效率和越障能力两个特征，提出了基于异形轮组合的小型机器人越障机构，即四足偏心轮腿机器人。该机器人具有与轮式机器人相同的行走效率和较强的自主越障能力。
　　本文首先从普通轮式机器人行走单元的特点分析出发，对其可能的改进形式做了综合比较，选择用一种偏心轮结构作为机器人的行走单元，并选用四个为一组，构成一种四足偏心轮腿机器人，并进行步态的规划。其次对该种机器人结构从运动学和动力学两个方面分析，运动学部分分析了单个偏心轮的运动规律，构造出参考坐标系对机器人本体的运动状态进行分析;动力学部分将机器人的重量均匀分布于每个偏心轮的轴心点，描述单个偏心轮的受力状态，并对整个机体的动力学状态进行分析。之后描述了四足偏心轮腿机器人的越障过程和越障原理，与普通轮式机器人作一定的比较，并通过理论计算得出各种障碍物环境下的极限越障能力，障碍物环境分为典型的四种，即:斜坡、单个台阶、凸台和沟壑。本文的最后部分通过实际的实验，验证了越障原理和测试了越障性能，对实验结果与理论模型之间的差异进行了原因分析。
　　通过本课题的理论研究与实验分析，四足偏心轮腿机器人达到了兼顾行走效率和越障能力两个方面的优势，并且结构简单，易于系统层次上的控制。该移动机构适合救援人员携带至灾难现场用于在复杂地形中行走，具有较强的机动性，越障高度可以远大于轮子的半径。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 越障机器人概述

1．3 本文的主要内容与组织结构

第2章 四足偏心轮腿机器人的设计和步态规划

2．1 行走单元的设计

2．1．1 圆心轮的优缺点

2．1．2 异形轮的选择

2．2 四足偏心轮腿机器人的基本结构

2．3 四足偏心轮腿机器人的步态规划

2．3．1 轮式运动步态

2．3．2 腿式行走步态

2．4 本章小结

第3章 运动学和动力学分析

3．1 单个偏心轮运动学分析

3．2 整个机体运动学分析

3．3 单个偏心轮力学分析

3．4 整体动力学分析

3．5 本章小结

第4章 越障过程描述和极限越障能力分析

4．1 斜坡上的攀爬分析

4．2 单个台阶的攀爬分析

4．2．1 普通四轮车攀爬台阶

4．2．2 四足偏心轮腿机构攀爬台阶

4．2．3 四足偏心轮腿机构攀爬台阶的极限能力

4．3 凸台的攀爬分析

4．3．1 普通四轮车攀爬凸台

4．3．2 四足偏心轮腿机构攀爬凸台

4．4 沟壑的爬越分析

4．5 本章小结

第5章 实验结果与分析

5．1 控制系统概述

5．2 机器人样机实验分析

5．2．1 平地上的行走速度和分析

5．2．2 台阶障碍物的攀爬高度和分析

5．3 其他性能测试

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间参与的课题和发表的论文