面向復(fù)雜地面環(huán)境的作業(yè)型履帶式移動(dòng)機(jī)器人研究.pdf

1、隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，移動(dòng)機(jī)器人逐漸從室內(nèi)結(jié)構(gòu)環(huán)境走向室外非結(jié)構(gòu)環(huán)境。在煤礦事故和城市廢墟搜救、工程探險(xiǎn)勘測(cè)、反恐防暴、軍事偵察、星球探測(cè)等復(fù)雜環(huán)境領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外在該方向開展了廣泛的研究，但如何提高移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜地面環(huán)境中的全地形通過性、機(jī)動(dòng)性、抗振抗沖擊性、越障性能和越障穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)可靠性，成為機(jī)器人成功應(yīng)用的根本，也是目前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿問題。本文結(jié)合國家863計(jì)劃項(xiàng)目，針對(duì)于惡劣環(huán)境的使用需求，對(duì)履帶式移

2、動(dòng)機(jī)器人履帶地面作用機(jī)理、移動(dòng)手臂垂直動(dòng)力學(xué)建模、移動(dòng)手臂振動(dòng)分析與抑制、自主越障動(dòng)力學(xué)建模、自主越障動(dòng)作規(guī)劃和穩(wěn)定性分析等方面展開了研究。
　　論文首先針對(duì)于機(jī)器人系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的需求，采用模塊化思想研制了履帶式移動(dòng)機(jī)器人。介紹了機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，以及針對(duì)于特殊環(huán)境應(yīng)用的特殊模塊設(shè)計(jì)。建立了移動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，利用此模型進(jìn)行了作業(yè)臂尺寸綜合和軌跡規(guī)劃研究。
　　履帶與地面的相互作用是移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的動(dòng)因

3、，研究履帶與地面的作用機(jī)理，建立反映機(jī)器人移動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)模型，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速機(jī)動(dòng)的前提?；谟?jì)算地面力學(xué)建立了履帶地面作用數(shù)學(xué)模型。將履帶分成承重輪和純履帶部分，根據(jù)其對(duì)地面加載、卸載、再加載的特點(diǎn)分別建立模型，并基于結(jié)合點(diǎn)平衡條件建立完整的履帶模型。在此基礎(chǔ)上通過該模型分析了履帶參數(shù)對(duì)不同路面通過性的影響。并基于地面-履帶土槽測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和行駛參數(shù)的履帶牽引特性進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出了不同參數(shù)變化對(duì)牽引指標(biāo)的影響規(guī)律。為

4、全地形移動(dòng)機(jī)器人行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。
　　移動(dòng)手臂為剛性較差的懸臂梁，在路面不平度隨機(jī)激勵(lì)下產(chǎn)生較大振動(dòng)，從而降低機(jī)器人系統(tǒng)可靠性和手臂抓持穩(wěn)定性。針對(duì)上述問題，首先應(yīng)用拉格朗日方法建立了移動(dòng)平臺(tái)垂向動(dòng)力學(xué)模型，并針對(duì)于手臂質(zhì)量分布不均的特點(diǎn)，采用集中質(zhì)量單元和 Euler-Bernoulli梁單元建立了有限元離散化垂向動(dòng)力學(xué)模型；進(jìn)而將以上兩種模型通過結(jié)點(diǎn)約束條件聯(lián)立建立了整個(gè)移動(dòng)手臂的垂向動(dòng)力學(xué)模型?；诖四Ｐ?/p>

5、，提出了利用高效的虛擬激勵(lì)法和精細(xì)積分算法分析非平穩(wěn)隨機(jī)激勵(lì)下的移動(dòng)手臂動(dòng)態(tài)響應(yīng)的算法。分析了機(jī)器人懸架參數(shù)對(duì)振動(dòng)吸收的能力，分析了移動(dòng)手臂結(jié)構(gòu)參數(shù)和姿態(tài)對(duì)抑振的作用。為機(jī)器人懸架設(shè)計(jì)和移動(dòng)手臂振動(dòng)控制提供了快速分析方法。
　　針對(duì)于質(zhì)心在機(jī)器人越障過程中起到的決定性作用，提出了利用質(zhì)心坐標(biāo)公式和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建立的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，考慮了作業(yè)手臂姿態(tài)和前擺臂姿態(tài)對(duì)質(zhì)心的影響。通過此模型進(jìn)行自主越障動(dòng)作規(guī)劃，得到了機(jī)器人在越障過程中質(zhì)

6、心變化情況，分析了移動(dòng)手臂姿態(tài)對(duì)跨越壕溝和垂直障礙的影響。并且利用質(zhì)心投影法求取了越障穩(wěn)定裕度。
　　針對(duì)移動(dòng)作業(yè)手臂動(dòng)態(tài)特性會(huì)影響移動(dòng)機(jī)器人越障性能和越障穩(wěn)定性的現(xiàn)象，提出了一種基于動(dòng)力學(xué)進(jìn)行越障動(dòng)作規(guī)劃的方法。即首先通過牛頓歐拉法建立移動(dòng)手臂越障動(dòng)力學(xué)模型，并利用其逆動(dòng)力學(xué)求解正動(dòng)力學(xué)問題。在此基礎(chǔ)上，利用ZMP(Zero Moment Point)穩(wěn)定性判據(jù)，分析了移動(dòng)手臂動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)對(duì)跨越障礙的影響。同時(shí)基于質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃得到