一类新型轮腿式移动机器人的优化设计与实验研究

摘要

移动机器人作为机器人领域的重要分支，可在地震、核辐射及火灾等未知复杂恶劣环境中代替人类进行探索和作业，具有广阔的应用前景。本课题密切结合移动机器人学和机构学的国际学术前沿，提出并研究一类具有强越障能力的轮腿式移动机器人，内容涉及机器人的结构设计、参数优化、步态规划、控制系统开发、物理样机建造及实验验证等。取得的主要研究成果如下：
　　1.面向复杂恶劣环境对移动机器人的重要需求，提出一种新型轮腿式移动机器人，该机器人由机身和四个三辐式轮腿组成，具有结构简单、越障能力强、行进速度快及稳定性好等优点。
　　2.将移动机器人较难攀越的楼梯作为其越障的结构环境，在静力学层面，分析轮腿式移动机器人的越障过程，研究机器人轮腿的轮辐数目对越障能力的影响规律。结合具体楼梯参数，利用几何方法提出一种高效攀爬楼梯的策略，据此优化机器人轮腿的轮辐弦长及其曲率半径等参数。
　　3.面向兼有高效越障和快速移动的功能需求，规划设计新型轮腿式移动机器人的同步和对角两种步态，并进行其运动学分析。通过研究同步步态的静态稳定性和对角步态的动态稳定性，得到两种步态的速度要求和应用范围。
　　4.利用Design Expert实验设计软件和ADAMS动力学仿真软件，研究柔性轮腿对移动机器人稳定性的影响规律，实现轮腿柔性参数的优化设计。通过软件仿真，验证新型轮腿式移动机器人结构设计和步态规划的有效性，并证明该机器人的越障能力。
　　5.针对机器人的功能需求，规划轮腿机器人的软硬件架构，完成主要硬件选型。基于机器人操控的可调性和便利性，分别设计基于Labview软件的PC操作模块和基于Android系统的手机操作模块。
　　6.搭建轮腿式移动机器人的物理样机，完成控制软件与物理样机的联调，通过在平坦路面、砂石地面、陡坡及楼梯等多种地形的行走实验，验证所提出的轮腿式移动机器人具有较强的越障能力和良好的稳定性，以及本文工作的有效性。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 课题来源及意义

1.2 移动机器人发展现状

1 .3 轮腿式移动机器人研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 轮腿结构形状参数设计

2.1引言

2.2轮腿基本结构

2 .3 轮腿受力分析

2.4轮腿轮辐数优选

2.5 轮腿几何形状参数设计

2.6 小结

第三章 步态规划及其运动学分析

3.1 引言

3.2 步态基本概念

3 .3 同步步态规划及其运动学分析

3.4 对角步态规划及其运动学分析

3 .5 稳定性分析

3.6 小结

第四章 动力学参数设计

4.1 引言

4.2软件简介

4.3 轮腿柔性参数设计

4 .4 攀爬楼梯仿真

4 .5 对角步态仿真

4 .6 小结

第五章 物理样机搭建与实验

5.1引言

5.2总体方案设计

5 .3主要硬件选型

5 .4软件设计

5 .5 样机实验

5.6 小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来展望

参考文献

附录

发表论文和参加科研情况说明

致谢