轮腿式移动机器人主/被动变形机构设计及研究

摘要

随着社会的发展和科学技术的不断进步，各类机器人逐渐进入到了人们的生活、生产及工作中。以城市救灾、反恐排爆、军事侦察等为应用领域的小型移动机器人需求越来越迫切，而目前小型移动机器人在小型化、运动效率、复杂非结构化环境适应能力等方面存在着难以均衡的矛盾。　　本文以移动机器人的新型移动机构为切入点，针对当前小型移动机器人在非结构化复杂地形中机动性、通过性及小型化等方面的不足，提出一种采用新型变形轮的适应复杂地形的轮腿式移动机器人方案，通过采用机构学、优化方法、控制学及计算机仿真等理论工具，对这种新型移动机器人的移动机构、移动平台性能、运动学、动力学及稳定运动控制方法的关键问题进行了深入研究。主要研究内容有：　　1）通过对现有变形轮方案的分析与研究，提出一种基于折展和变胞机构原理的新型主被动结合的变形轮机构设计与优化方法。设计了采用铰链式多四连杆组合机构的单驱动新型变形轮机构，并分析其变形原理。以最小化驱动力矩和最大化变径比为目标，通过力学和几何约束方法优化得到最优的变形轮设计参数。　　2）根据机器人的适配环境和变形轮结构特点，设计了双轮差速驱动的对称式整机装配及布局方案。通过采用基于微型电磁离合器的运动模式主动切换机构，在不增加额外驱动的情况下，保证了机器人模式切换的稳定性和可靠性。采用运动学方法得到了机器人典型运动下的运动规律和基本特性；根据非完整约束系统特性，推导得到了机器人整机轮式运动状态下的运动学和动力学模型，为整机稳定控制提供了理论基础。　　3）以变形轮机器人稳定可控为目标，从力学角度运用稳定锥方法推导得到了机器人倾翻角计算公式及临界倾翻条件，结合动力学方法得到了机器人的斜面及越障稳定运动特性；从控制学角度，设计了机器人多模式差速控制策略，并推导得到机器人运动位姿误差表示方法，设计了基于Lyapunov直接法的机器人位姿稳定控制器。　　4）建立了变形轮机器人系统总体架构和控制方案，设计搭建了变形轮机器人实验样机，利用Matlab仿真证明了控制器的可行性和有效性。完成了机器人运动性能及稳定性测试、运动模式切换实验和越障性能实验。实验证明了机器人极佳的越障性能和高效、稳定的运动能力，融合了轮、腿运动的优势，为相关机器人的设计提供了一种有效的解决途径，同时为其他移动机器人的设计提供有益参考。

目录

1 绪 论

1.1.1 课题的来源

1.1.2 课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 多运动复合移动机器人研究现状

1.2.2 异形轮移动机器人研究现状

1.2.3 研究现状分析

1.3本文主要研究内容

2 变形轮结构设计与分析

2.1典型变形轮方案分析

2.2变形轮结构与变形原理分析

2.2.1 变形轮机构设计

2.2.2 被动式轮腿变形过程

2.3变形轮机构优化设计

2.3.1 优化变形轮设计变量

2.3.2 优化变形轮数学模型

2.3.3 优化变形轮约束

2.3.4 优化计算

2.4本章小结

3 轮腿式移动机器人平台分析

3.1整机装配及布局设计

3.2整机典型运动过程研究

3.2.1 轮腿式运动过程

3.2.2 主动变形过程

3.2.3 整机越障过程

3.3整机运动学与动力学分析

3.3.1 整机运动学模型分析

3.3.2 整机动力学模型分析

3.4本章小结

4 稳定运动控制方法研究

4.1整机运动稳定性研究

4.1.1 稳定性分析原理

4.1.2 机器人斜面运动稳定性分析

4.1.3 稳定越障性能参数研究

4.2整机稳定运动控制方法研究

4.2.1 轮腿式移动机器人差速控制策略

4.2.2 机器人位姿误差描述

4.2.3 机器人位姿稳定控制方法

4.3本章小结

5 机器人平台搭建与样机实验

5.1变形轮机器人系统总体设计

5.1.1 机器人控制方案设计

5.1.2 变形轮机器人样机搭建

5.2机器人位姿控制仿真实验

5.3变形轮机器人样机实验

5.3.1 运动性能及稳定性实验

5.3.2 运动模式切换实验

5.3.3 越障性能实验

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2研究工作展望

参考文献

附录

A. 攻读硕士学位期间所发表的论文及专利

B. 作者在攻读学位期间参与（主持）的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢