多節(jié)履帶式搜索機器人及其運動策略研究.pdf

1、搜索機器人在水災(zāi)、火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害以及各種人為災(zāi)害領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，各種災(zāi)害頻繁發(fā)生，人民的生命財產(chǎn)安全受到極大的威脅。災(zāi)難事故發(fā)生后，現(xiàn)場環(huán)境異常危險，救援人員很難在第一時間實施搜索。為準(zhǔn)確獲得被困或遇難人員的位置以及現(xiàn)場溫度、氧氣含量、有害氣體含量、現(xiàn)場倒塌狀況等，研究替代或部分替代救援人員進入災(zāi)難現(xiàn)場實施環(huán)境探測的搜索機器人具有重要的現(xiàn)實意義。
　　在分析災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境的基礎(chǔ)上，針對搜索機器人的功能要求，制定出機器

2、人的設(shè)計準(zhǔn)則，提出并研制了一種具有較強運動能力的多節(jié)串聯(lián)多履帶構(gòu)型的搜索機器人機械系統(tǒng)。采用履帶式移動機構(gòu)提高機器人在復(fù)雜環(huán)境下的運動能力，每個單元四周均包覆履帶，不僅提高了機器人的驅(qū)動力，還可以實現(xiàn)輔助轉(zhuǎn)彎和防卡死。為實現(xiàn)四周履帶的同步協(xié)調(diào)控制，由一個電機驅(qū)動，傳動機構(gòu)采用錐齒輪鏈?zhǔn)絺鲃?，不僅縮短了傳動鏈，而且結(jié)構(gòu)緊湊，四周履帶均可對稱布置；每個關(guān)節(jié)機構(gòu)具有俯仰和偏航兩個自由度，其運動范圍均為±45o。針對存在大量易燃性氣體的應(yīng)用場合

3、，采用整機殼體密封正壓防爆技術(shù)對機器人進行可靠性設(shè)計。
　　針對搜索機器人頭部單元姿態(tài)調(diào)整運動，建立了機器人的正運動學(xué)方程，并重點研究了其逆運動學(xué)。提出了一種新的空間分割方法對機器人的關(guān)節(jié)空間和工作空間進行分割，并提出了基于空間分割和遺傳算法相結(jié)合的混合算法解決機器人逆運動學(xué)無解析解的問題。該算法有效地縮小了遺傳算法的搜索空間，提高了求解精度?；谂ｎD歐拉法建立了機器人頭部單元姿態(tài)調(diào)整運動的動力學(xué)方程，并針對機器人調(diào)整頭部單元姿態(tài)

4、時易發(fā)生傾覆的現(xiàn)象進行了靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性分析，給出了傾覆穩(wěn)定性判據(jù)，為實現(xiàn)穩(wěn)定的姿態(tài)調(diào)整提供了理論依據(jù)。針對搜索機器人的行走運動，分析了機器人履帶地面的作用機理，并建立了基于牛頓歐拉法的動力學(xué)遞推方程。
　　針對災(zāi)難事故發(fā)生后的未知環(huán)境，提出了一種基于可視切線圖的未知環(huán)境建模方法。定義和描述了相關(guān)術(shù)語，闡述了可視切線圖的概念，并對可視切線圖進行了擴展。提出了基于可視切線圖的路徑規(guī)劃算法，該算法利用可視切線圖進行環(huán)境建模，并將反應(yīng)式

5、路徑規(guī)劃和反射式路徑規(guī)劃兩種方法有機地結(jié)合起來，針對不同的環(huán)境進行路徑規(guī)劃。仿真實驗結(jié)果不僅證明了可視切線圖是一種有效的路徑規(guī)劃工具，而且證明了基于可視切線圖的路徑規(guī)劃算法是可行的，增強了機器人的環(huán)境適應(yīng)能力，并且減少了所需運動時間，能夠滿足搜索機器人在未知環(huán)境下的運動要求。針對搜索機器人跟蹤已確定的最優(yōu)路徑，建立了基于Follow-the-leader的跟蹤運動學(xué)模型，并提出了兩級遺傳嵌套優(yōu)化算法搜索機器人的最優(yōu)動力學(xué)解。
　　

6、建立了搜索機器人自主越障運動方程，分析了搜索機器人逾越典型障礙的能力，并基于關(guān)鍵姿態(tài)運動學(xué)和動力學(xué)進行了越障動作分析。針對多節(jié)履帶式搜索機器人的結(jié)構(gòu)特性和環(huán)境障礙特征，提出了基于專家控制系統(tǒng)的自主越障分層規(guī)劃策略。該策略將自主越障規(guī)劃分為行為規(guī)劃和動作規(guī)劃，對每種越障行為和對應(yīng)的行為動作進行離線規(guī)劃形成規(guī)則庫，并基于行為推理機和動作推理機進行實時的在線推理，實現(xiàn)了搜索機器人的自主越障功能。
　　建立了搜索機器人實驗系統(tǒng)，對機器人地