月面极端地形爬-滚机器人设计研究及实验

摘要

在月面探索任务中，一些有价值的科学目标存在于目前的星表探测机器人无法到达的崎岖地形环境中，如月表陨石坑、溶洞。因此，研制运动更平稳、灵活，具有极端月面环境（如溶洞、月坑）适应能力的机器人是目前月表巡视探测所面临的关键难题。针对月面极端环境科学探测的任务需求，结合足式机器人非结构地形适应能力强和轮式机器人运动速度快的优点，在国家自然科学基金项目和国防科工局预先研究项目的支持下，本文提出一种由4R1S机构、双摇杆机构和曲柄摇杆机构等耦合而成的爬-滚机器人构型设计方案，具有空间布局灵巧、爬-滚模式快速切换、控制方便可靠等优点。围绕爬-滚机器人构型和性能开展了机器人结构设计、基于D-H法的运动学模型分析、基于足端轨迹规划的爬行步态设计，基于尺寸和力约束条件的滚动性能评价依据等研究工作，并通过ADAMS运动仿真和样机试验，对爬-滚机器人结构设计的可行性和运动分析的正确性进行了验证，为机器人在不同工作模式下的运动操控提供理论依据。论文主要内容如下：　　首先，围绕月面极端环境（月坑、溶洞）探测任务，基于机构学和仿生学理论，提出一种新型的爬-滚机器人构型方案，介绍了该构型方案在月坑、溶洞等不同应用场景中的基本形态和工作原理，完成该构型方案的各功能模块的结构设计。　　其次，结合机器人学D-H运动学理论，开展了机器人整体运动学研究，建立躯体坐标系和各单腿足端点之间的位置关系，通过代数求解方法得到各腿正逆运动学解析解。建立了机器人单腿的足端多项式轨迹规划，解决了在爬行前进过程中足端轨迹速度、加速度不连续的问题，为后续机器人爬行模式足端轨迹跟踪、运动步态规划分析奠定基础。　　再次，针对平坦路面下的爬行模式，展开了基于足端轨迹规划的直行、转向和位姿调整研究，得到了相应运动过程中的各关节角度变化量，并建立了爬行模式下的稳定性判据，为机器人在爬行模式中的位置控制提供了理论依据。针对滚动模式下的平地翻滚、爬坡、越障等应用场景，分析了影响机器人滚动性能的因素，对机器人爬坡性能和越障能力进行了计算，阐明了机器人在滚动模式下的爬坡、越障所需外在条件，为滚动模式下驱动参数的选择提供依据。并根据应用场景、目标任务等条件，建立了爬行、滚动模式切换策略。　　最后，分别对爬-滚机器人爬行、滚动模式进行了基于ADAMS的运动仿真，分析了爬行模式下机器人直行、原地转向、位姿调整过程中运动参数与机器人各腿关节角度的关系，分析了滚动模式下结构参数和环境条件对机器人爬坡、越障性能的影响，获得机器人滚动模式下爬坡、越障所需的推动力和初速度。对机器人爬、滚运动模式切换方法进行了模拟仿真，结果表明爬滚模式切换策略合理可行。并进一步设计样机试验，对机器人爬行模式运动步态和滚动模式爬坡越障进行测试，验证爬-滚机器人结构设计的合理性和运动分析的正确性。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 星表机器人构型设计研究现状

1.2.2 多运动模式机器人构型分析理论研究现状

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

2 爬-滚机器人构型设计

2.1 引言

2.2 爬-滚机器人仿生原型

2.3 爬-滚机器人结构设计

2.4 爬-滚机器人爬行腿结构设计

2.5 爬-滚机器人辅助腿结构的设计

2.6 腿部关节驱动单元的设计

2.7 本章小结

3 爬-滚机器人运动特性分析

3.1 引言

3.2 基于D-H方法的爬-滚机器人运动学坐标系建立

3.3.1 前后腿运动学模型

3.3.2 中腿运动学

3.4 单腿运动学验证

3.5 爬-滚机器人足端运动轨迹规划

3.6 本章小结

4 爬-滚机器人运动模式分析

4.1 引言

4.2 爬-滚机器人爬行模式分析

4.2.1 爬行模式下直行运动

4.2.2 爬行模式下原地转向运动

4.2.3 爬行模式下躯体位姿调整

4.2.4 爬行模式稳定性裕度分析

4.3 爬-滚机器人滚动模式分析

4.3.1 滚动模式下平地运动分析

4.3.2 滚动模式下斜坡运动分析

4.3.3 滚动模式下越障运动分析

4.3.4 滚动状态制动策略

4.3.5 滚动模式下遇障滚动失效分析

4.4 爬-滚机器人运动模式切换方法

4.4.1 爬行模式转换为滚动模式

4.4.2 滚动模式转换为爬行模式

4.5 本章小结

5 爬-滚机器人的运动仿真分析与试验

5.1 引言

5.2 基于ADAMS 的爬-滚机器人爬行仿真

5.2.1 爬行模式下直行前进运动仿真

5.2.2 爬行模式下转向运动仿真

5.2.3 爬行模式下位姿调整

5.3.1 滚动模式下平地运动仿真分析

5.3.2 滚动模式下斜坡运动仿真分析

5.3.3 滚动状态下越障运动仿真分析

5.4 基于ADAMS 的爬-滚运动模式切换仿真

5.4.1 爬行-滚动模式相互转换仿真

5.4.2 滚动失效仿真分析

5.5 爬-滚机器人的试验

5.5.1 搭建试验平台和试验环境

5.5.2 爬行模式下直行前进运动

5.5.3 爬行模式下原地转向运动

5.5.4 滚动模式下平地运动试验

5.5.5 滚动模式下斜坡运动试验

5.5.6 滚动模式下的越障试验

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续研究工作的展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢