复杂环境下的关节式履带巡检机器人越障性能研究

摘要

小型移动机器人具有体积小、越障性能强、灵活度高的优点，因此在应对许多危险系数高、操作难度大的作业环境下的巡检和救援等作业任务，发挥着越来越重要的作用。面对复杂环境，机器人能否顺利进入指定作业位置，完成作业任务是巡检工作的重点和难点。因此，本文主要针对工厂的特殊环境，设计了一台关节式履带巡检机器人，通过建立机器人越障的质心运动学模型和动力学模型，分析了机器人翻越圆管障碍、凸台和窄而陡的楼梯等障碍越障能力，以及机器人在越障过程中的动态稳定性。 本文首先针对某工厂空间小、多圆管障碍、钢制简易楼梯结构窄而陡的特点，设计了一台体积小、方便收缩的关节式履带巡检机器人。介绍了巡检机器人的结构设计、控制系统构成，分析了机器人行走、转向等运动过程，校核了机器人关节摇臂辅助机器人越障的可行性，为机器人越障提供可靠保障。 建立了机器人质心运动学模型，分析机器人质心位置与越障性能的关系，找出了质心位置在机器人越障过程中随仰角和关节姿态改变的变化规律，对机器人翻越圆管障碍和垂直凸台进行了越障动作规划，并求得机器人翻越障碍的最大可行高度值。 为保证机器人在进行巡检工作中，不发生意外失稳现象，着重针对圆管和楼梯结构两种特殊障碍，建立了关节式巡检机器人正向攀爬圆管障碍和逆向攀爬楼梯障碍过程的动态稳定性分析模型，分析了机器人越障过程中的速度和加速度对越障过程的动态稳定性的影响，并给出了相应的动态稳定性判别依据。 最后，模仿某工厂环境下的非常规障碍，搭建实验平台，对该巡检机器人进行了障碍通过性实验、越障稳定性实验等，通过实验分析，验证了论文的理论分析和动作规划的可行性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究意义

1.2 国内外履带机器人研究现状

1.2.1 履带机器人结构研究现状

1.2.2 履带机器人越障性能研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 关节式履带巡检机器人的结构特性

2.1 机器人结构

2.1.1 机器人本体结构

2.1.2 关节摇臂结构

2.2 机器人控制系统

2.3 机器人运动分析

2.3.1 机器人行走运动分析

2.3.2 机器人越障运动分析

2.4 本章小结

第3章 基于质心运动学的机器人越障静稳定性分析

3.1 机器人越障质心运动学建模分析

3.1.1 运动学模型建立

3.1.2 质心变化规律

3.2 基于质心运动学的越障动作规划

3.2.1 机器人翻越圆管障碍的动作规划

3.2.2 机器人攀爬垂直凸台的动作规划

3.3 基于质心运动学的越障性能分析

3.3.1 基于机器人质心运动学的静稳定性分析

3.3.2 质心对越障性能的影响

3.3.3 基于质心运动学的最大越障高度分析

3.3.4 机器人逆向翻越楼梯能力分析

3.4 本章总结

第4章 基于动力学的越障稳定性分析

4.1 机器人翻越圆管障碍的动态稳定性分析

4.1.1 履带与圆管的交互作用力分析

4.1.2 关节式履带机器人翻越圆管障碍的动态稳定性分析

4.2 机器人攀爬楼梯的动态稳定性分析

4.2.1 履带与楼梯台阶的交互作用力分析

4.2.2 机器人逆向攀爬楼梯的动态稳定性分析

4.3 本章小结

第5章 关节式履带巡检机器人越障实验研究

5.1 机器人越障可行性分析

5.2 机器人翻越圆管障碍的实验分析

5.3 机器人攀爬台阶性能分析

5.4 机器人攀爬楼梯的实验分析

5.5 机器人连续障碍通过性能分析

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者攻读学位期间的科研成果

致谢