偏心轮腿六足机器人设计与分析

摘要

随着移动机器人相关关键技术的不断突破，以及我国航空航天、探险救援、消防排爆、核能工业等众多领域的快速发展，迫切需要一种能在野外环境和复杂地形(如矿难现场、地震废墟)中自由行走和越障的移动机器人。本文即根据非规整地形的特点以及前人的研究基础提出了一种偏心轮式腿结构的六足机器人--ELHR，该机器人采用弹性偏心圆结构代替传统的刚性杆结构作为腿使用，在很大程度上缓冲了刚性杆结构行走时造成的机身颠簸和功率震荡。ELHR对称的机械结构，冗余的六足运动机构和模块化设计的控制系统保证了整个系统的可靠性与稳定性，使它能够在非规整地面自由行走和越障。
　　 本文首先对机器人进行了运动学分析：描述了移动机器人在参考坐标系中的位姿及运动规律；分析了机器人在平面坐标系中的正、逆运动学模型；理清了各腿(轴心)速度与机器人速度(即重心的速度)之间的关系。其次，对偏心轮腿进行了运动学与动力学分析：偏心轮绕轴心滚过地面时其轴心的高度和速度是变化的，运动学部分分析了偏心轮腿的尺寸、转速和驱动自由度对机器人速度的影响：动力学部分分析了机器人各驱动电机的动力对机器人(重心)的具体作用力。文中第三部分根据经典交互三角步态、四足步态的原理和偏心轮腿的特点设计了一套符合ELHR的步态方法，包括基本步态规划和上下台阶步态规划两部分，分析了机器人前行、后退、左右转向的基本步态，以及上下台阶的步态方法。文中第四部分给出了控制系统的设计思想，主要介绍了编码器计数与方向判别方案和变频PWM控制技术。第五部分首先对机器人模型与步态规划进行了实验验证与分析，然后对机器人的越障能力进行了分析，给出了机器人尺寸和各主要因素对其越障能力等关键性能的影响。
　　 通过本课题的研究与本文的分析，偏心轮式腿结构被证明是一种非常适合于在非规整地形上行走的移动机构。采用对称结构、模块化设计的ELHR可综合使用多种步态策略进行前后左右各方向行走与上下台阶，其最大速度为0.311m/s，具有极强的机动性与越障能力，能越过95mm高度障碍物。