面向復雜地面環(huán)境的作業(yè)型履帶式移動機器人研究.pdf

1、隨著機器人技術的不斷完善，移動機器人逐漸從室內(nèi)結構環(huán)境走向室外非結構環(huán)境。在煤礦事故和城市廢墟搜救、工程探險勘測、反恐防暴、軍事偵察、星球探測等復雜環(huán)境領域得到廣泛應用。國內(nèi)外在該方向開展了廣泛的研究，但如何提高移動機器人在復雜地面環(huán)境中的全地形通過性、機動性、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，成為機器人成功應用的根本，也是目前該領域的研究熱點和前沿問題。本文結合國家863計劃項目，針對于惡劣環(huán)境的使用需求，對履帶式移

2、動機器人履帶地面作用機理、移動手臂垂直動力學建模、移動手臂振動分析與抑制、自主越障動力學建模、自主越障動作規(guī)劃和穩(wěn)定性分析等方面展開了研究。
　　論文首先針對于機器人系列化、標準化和規(guī)范化的需求，采用模塊化思想研制了履帶式移動機器人。介紹了機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)模塊化設計，以及針對于特殊環(huán)境應用的特殊模塊設計。建立了移動手臂運動學模型，利用此模型進行了作業(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機器人驅(qū)動的動因

3、，研究履帶與地面的作用機理，建立反映機器人移動過程的動力學模型，是實現(xiàn)機器人快速機動的前提。基于計算地面力學建立了履帶地面作用數(shù)學模型。將履帶分成承重輪和純履帶部分，根據(jù)其對地面加載、卸載、再加載的特點分別建立模型，并基于結合點平衡條件建立完整的履帶模型。在此基礎上通過該模型分析了履帶參數(shù)對不同路面通過性的影響。并基于地面-履帶土槽測試系統(tǒng)，對不同結構參數(shù)和行駛參數(shù)的履帶牽引特性進行了對比實驗，得出了不同參數(shù)變化對牽引指標的影響規(guī)律。為

4、全地形移動機器人行走系統(tǒng)設計、分析和驗證奠定了基礎。
　　移動手臂為剛性較差的懸臂梁，在路面不平度隨機激勵下產(chǎn)生較大振動，從而降低機器人系統(tǒng)可靠性和手臂抓持穩(wěn)定性。針對上述問題，首先應用拉格朗日方法建立了移動平臺垂向動力學模型，并針對于手臂質(zhì)量分布不均的特點，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力學模型；進而將以上兩種模型通過結點約束條件聯(lián)立建立了整個移動手臂的垂向動力學模型。基于此模型

5、，提出了利用高效的虛擬激勵法和精細積分算法分析非平穩(wěn)隨機激勵下的移動手臂動態(tài)響應的算法。分析了機器人懸架參數(shù)對振動吸收的能力，分析了移動手臂結構參數(shù)和姿態(tài)對抑振的作用。為機器人懸架設計和移動手臂振動控制提供了快速分析方法。
　　針對于質(zhì)心在機器人越障過程中起到的決定性作用，提出了利用質(zhì)心坐標公式和機器人運動學建立的質(zhì)心運動學模型，考慮了作業(yè)手臂姿態(tài)和前擺臂姿態(tài)對質(zhì)心的影響。通過此模型進行自主越障動作規(guī)劃，得到了機器人在越障過程中質(zhì)

6、心變化情況，分析了移動手臂姿態(tài)對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。
　　針對移動作業(yè)手臂動態(tài)特性會影響移動機器人越障性能和越障穩(wěn)定性的現(xiàn)象，提出了一種基于動力學進行越障動作規(guī)劃的方法。即首先通過牛頓歐拉法建立移動手臂越障動力學模型，并利用其逆動力學求解正動力學問題。在此基礎上，利用ZMP(Zero Moment Point)穩(wěn)定性判據(jù)，分析了移動手臂動態(tài)運動對跨越障礙的影響。同時基于質(zhì)心運動學規(guī)劃得到