沙漠六足機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,越來越多類型的移動(dòng)機(jī)器人成為了研究對(duì)象,從輪式、履帶式到足式。其中足式機(jī)器人因?yàn)榕c自然界中的生物更加形似,而且相比前兩種形式運(yùn)動(dòng)方式更加靈活多樣而成為了重要的研究分支。首先因?yàn)槠湫嗡?自然而然產(chǎn)生了機(jī)器人仿生研究;其次可以做到落地點(diǎn)離散,在自然的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中比輪式和履帶式運(yùn)動(dòng)更加有效。仿生是人類學(xué)習(xí)的一種重要方法,向大自然中進(jìn)化了千萬年的生物學(xué)習(xí)它們生存的方式,研究總結(jié)出幫助我們更好地適應(yīng)環(huán)境、改善生活、提高工作

2、效率的辦法。仿生機(jī)器人的研究就是其中的典型。有足動(dòng)物能夠在地球表面各種地形,包括巖石、草原、沙漠、泥沼上自如行走,但是人類制造的機(jī)械相比之下效率低下,靈活性差,鑒于以上原因,希望能夠借鑒動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式,設(shè)計(jì)出一臺(tái)適合在沙漠地區(qū)執(zhí)行任務(wù)的仿生六足機(jī)器人。
　　鑒于這樣的目的,本文著手從機(jī)構(gòu)、傳感器系統(tǒng)、控制裝置和通信系統(tǒng)幾方面對(duì)整機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);在機(jī)器人硬件部分制作完成之后,設(shè)計(jì)相應(yīng)的人機(jī)交互界面,用于和機(jī)器人進(jìn)行通信,包括下達(dá)控

3、制指令和獲得傳感器信息等;根據(jù)作為移動(dòng)平臺(tái)在自然環(huán)境、沙漠環(huán)境中使用的特點(diǎn),結(jié)合機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)提出了直行、定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎兩種基本步態(tài)和斜坡上穩(wěn)定裕量較大的斜坡步態(tài),保證機(jī)器人能夠穩(wěn)定工作。
　　在硬件部分過程中,根據(jù)動(dòng)力需求和質(zhì)量、體積限制設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)、供電系統(tǒng);根據(jù)控制需求設(shè)計(jì)主控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng);根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)傳感器系統(tǒng);再根據(jù)所選電氣設(shè)備確定機(jī)械尺寸、結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝;最后到沙漠環(huán)境的高溫和大溫差特點(diǎn)設(shè)計(jì)了散熱系統(tǒng)。接著將

4、功能嵌入到一套基于圖形操作界面的上位機(jī)遙操作系統(tǒng)上。軟件能夠建立并維持與遠(yuǎn)端機(jī)器人上設(shè)備的控制連接,將現(xiàn)場(chǎng)的圖像、經(jīng)緯度、機(jī)器人的姿態(tài)信息、周圍環(huán)境的平面激光掃描圖視像畫面呈現(xiàn)給用戶。
　　為保證設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的可靠性,同時(shí)為輕量化提供參考,針對(duì)重要部件——腿部結(jié)構(gòu)和承重框架進(jìn)行包括應(yīng)力、形變和模態(tài)三部分內(nèi)容的靜力學(xué)分析。
　　通過觀察、分析六足昆蟲和沙漠地區(qū)爬行動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),嘗試以模仿生物運(yùn)動(dòng)的基本原理而非完全模仿生物結(jié)構(gòu)的方

5、式來指導(dǎo)機(jī)器人的有效運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了類似螞蟻的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎步態(tài),并且結(jié)合了自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出一種原地轉(zhuǎn)身步態(tài),增加了運(yùn)動(dòng)靈活性。再以沙漠蜥蜴高速奔跑時(shí)的步態(tài)為參照,定性分析腿部結(jié)構(gòu)和砂礫表面的相互作用力,得出其中可以借鑒的運(yùn)動(dòng)方式,提高機(jī)器人在松軟介質(zhì)上的運(yùn)動(dòng)效率。然后對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得出六足機(jī)器人在負(fù)重情形下運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵控制變量。針對(duì)非結(jié)構(gòu)化的自然環(huán)境,首先要保證一定的靜態(tài)穩(wěn)定裕量,其次要保證步態(tài)的協(xié)調(diào),因此根據(jù)增大穩(wěn)定裕量的目標(biāo)提出