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轮腿式移动机器人平台运动学分析

轮腿式移动机器人平台运动学分析

作者：谷德明河北工业大学

学位级别：硕士

现今的移动机器人为了满足在不同地形环境下快速行进和保持平稳的需要,大都采用两种或两种以上的复合行进方式,在不同环境下采用不同行进方式,极大地提高了机器人的地形适应能力。本文提出了一种新型的轮腿式移动机器人平台,其在平整地... 详细信息

现今的移动机器人为了满足在不同地形环境下快速行进和保持平稳的需要,大都采用两种或两种以上的复合行进方式,在不同环境下采用不同行进方式,极大地提高了机器人的地形适应能力。本文提出了一种新型的轮腿式移动机器人平台,其在平整地形环境下采用轮式行进方式,在非平整地形环境下采用轮腿复合行进方式。可跨越相当于1.2倍轮子直径高度的障碍,轻松爬上40°的斜坡,并可实现坡上制动,地形适应能力很强。本文详细叙述了轮腿式移动机器人平台的结构特点和尺寸参数,并就其驱动系统和轮腿系统的结构和工作原理作了详细说明,分析了其在不同地形环境下的行进策略和相应的姿态变化原理。对机器人平台进行了运动学分析,包括转向运动学分析、位姿模型分析和机器人平台参考点的位姿和轮腿末端姿态之间的变化关系。并运用MATLAB软件对逆运动学分析的结果进行了验证。分析了机器人平台的越障性能,就其越障能力与摩擦系数、结构尺寸之间的关系进行了分析。并求出了其在跨越台阶和沟槽时前后轮腿系统之间的转角关系,为机器人控制系统的设计做好了理论基础。用UG软件对机器人进行了运动学仿真。包括机器人模型的建立、装配、不同地形环境下的运动仿真。仿真结果验证了该设计方案的可行性和越障策略的正确性。并导出了其在不同地形环境下的驱动力曲线,从而为机器人电机的选型做好了理论准备。

关键词：轮腿式移动机器人运动学分析越障 UG仿真

基于虚拟样机技术的轮腿式移动机器人设计与仿真

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基于虚拟样机技术的轮腿式移动机器人设计与仿真

作者：陈国敏河北工业大学

学位级别：硕士

轮腿式移动机器人综合了轮式移动机器人高速、高效、灵活的特点和腿式移动机器人较强的越障能力,同时与履带式移动机器人相比又有结构简单、自重小、功耗小的优点,使之在探测、排险、救援等各个领域得以广泛应用。本论文针对提出的项目... 详细信息

轮腿式移动机器人综合了轮式移动机器人高速、高效、灵活的特点和腿式移动机器人较强的越障能力,同时与履带式移动机器人相比又有结构简单、自重小、功耗小的优点,使之在探测、排险、救援等各个领域得以广泛应用。本论文针对提出的项目要求,设计了一种成本较低,功能较强的八轮腿式移动机器人平台,并利用虚拟样机技术对机器人运动平台进行3D建模与仿真,验证其性能。论文主要完成的内容包括以下几个方面:首先,回顾了移动机器人的发展历程,搜集了国内外有关移动机器人和轮腿式移动机器人的最新研制资料,阐述了各种移动机器人的特点和轮腿式移动机器人的优缺点,介绍了虚拟样机技术的发展概况。其次,分析了课题项目要求,确定了移动方式和驱动方式的选择,设计了机器人平台的整体结构;设计了一种新型的轮腿传动系统;设计了移动机器人的驱动系统,包括传动方式的选择和部分零件的设计;使用Pro/E软件创建了移动机器人平台的3D模型。再次,完成了机器人平台的主要零件的机械设计,包括计算了各处电动机的功率、转速,完成电机和减速器的的型号选择;计算主轴、配轴和轴套传递的扭矩,确定它们的几何尺寸,校核其强度;设计轮腿传动机构中的齿轮,按照满足齿轮齿根疲劳强度要求计算各齿轮的参数,确定齿轮的模数、齿数和齿宽;计算了驱动系统传递的扭矩和力,选定链传动中链的型号,并设计了链轮。最后,使用ADAMS创建了虚拟样机的简化3D模型,并依照实际情况创建了虚拟样机仿真的环境参数,包括虚拟样机关键部件的材料选择和3D接触关系的参数设定;对虚拟样机进行了各种地形的运动仿真,包括爬坡、垂直障碍、壕沟、转向和侧倾地形的仿真,验证了移动机器人的各项功能;对轮腿组初始张角和轮腿长度进行了优化仿真。

关键词：轮腿式移动机器人虚拟样机 ADAMS 动力学仿真

轮腿复合式移动机器人越障分析与控制系统设计

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轮腿复合式移动机器人越障分析与控制系统设计

作者：房玉吉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着社会的发展,人们对于设备的依赖性越来越强。现代战争的快速部署和灾后的快速救援都对运输装备提出了更高的要求,要求运输装备对于非结构环境具备较高的灵活性和适应性,能够成功并快速的完成指定任务。本文结合实验室自拟课题“轮... 详细信息

随着社会的发展,人们对于设备的依赖性越来越强。现代战争的快速部署和灾后的快速救援都对运输装备提出了更高的要求,要求运输装备对于非结构环境具备较高的灵活性和适应性,能够成功并快速的完成指定任务。本文结合实验室自拟课题“轮腿复合式移动机器人”,对机器人的越障能力和控制系统进行了研究,具体研究工作如下: 基于室外机器人行走机构功能分析和设计要求,设计了轮腿复合式移动机器人行走机构。机器人由车体和6套轮腿系统组成,轮腿系统采用模块化设计,拆装方便。轮腿系统与车体的机械和电气接口完全相同,可直接互换。根据机器人的功能要求,分析了机器人不同阶段对驱动电机的功率需求,选择了合适的驱动电机。建立了机器人平面差速转向运动学,并建立了空间姿态运动学、水平路面行驶运动学和四轮行驶运动学模型,为轨迹跟踪、空间定位和越障规划提供了依据。对垂直障碍和壕沟等典型地形进行了越障动作规划,并用几何法和稳定性约束条件分析了机器人跨越典型障碍的能力,最后用ADAMS对越障规划进行了仿真验证,证明了越障动作规划的可行性。建立了主从式控制系统,利用USB-CAN总线适配器实现了上下位机间的CAN通信;利用TMS320LF2407A DSP和EPM3128 CPLD设计了电机控制器,利用VHDL语言实现了CPLD对电机光电编码器信号的采集处理和与DSP间的SPI通信;完成了对行走驱动电机的速度伺服控制和对摆臂驱动电机的位置伺服控制。利用LMD18200设计了电机驱动器,为增加轮腿系统对车体支撑的可靠性,为摆臂驱动电机安装了制动器,并设计了继电器驱动板。最后,完成了对机器人整机的调试和初步试运行,通过对垂直障碍、壕沟等典型障碍的越障实验,验证了机器人行走机构对复杂地形的灵活性,证明了前面越障规划的可行性和越障能力分析的正确性。

关键词：轮腿式移动机器人运动学越障分析越障动作规划控制系统

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六轮腿移动机器人运动分析及控制系统的研究

六轮腿移动机器人运动分析及控制系统的研究

作者：何峰南京理工大学

学位级别：硕士

本文研究的是一种新型摇臂—转向架式六轮腿智能移动机器人,它具有较强的地形环境适应能力和跨越障碍的能力。文中首先对机器人机构进行了准静态分析,建立了准静态数学模型,然后根据六轮腿移动机器人的运动特性以及环境特性对机器人的影... 详细信息

本文研究的是一种新型摇臂—转向架式六轮腿智能移动机器人,它具有较强的地形环境适应能力和跨越障碍的能力。文中首先对机器人机构进行了准静态分析,建立了准静态数学模型,然后根据六轮腿移动机器人的运动特性以及环境特性对机器人的影响,研究了机器人运动的协调性及地形适应性,尤其对机器人越障越坡行为作了深入研究,建立了各种越障行为的数学模型,为运动控制器的设计打下理论基础。为实现对这一复杂系统的控制,文中重点展开了六轮腿移动机器人控制技术的研究。首先详细论述了环境感知系统的建模,采用改进的D-S证据组合规则对传感器信息进行融合处理。然后为了实现自主运行的智能化,建立了基于模糊控制的路径规划,并协同机器人的定位系统,设计出一种同步补偿协调运动控制算法,以适应六轮腿移动机器人在非结构化环境下的运行。为满足控制的要求,本文采用以两片SPCE061A单片机和一片89C51单片机为核心的控制系统,重点研究设计了八路超声传感器感知模块和十四台电机驱动模块,对多台电机的同步协调控制的研究作了有效的探索,完成了三片单片机之间的串行通信协议设计,以满足控制系统对通信实时性的要求。本课题研究为六轮腿移动机器人的系统设计和研发,提供了理论依据和技术支持。

关键词：轮腿式移动机器人越障同步补偿算法多机串行通信

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轮腿机器人运动学与越障分析

轮腿机器人运动学与越障分析

作者：张海南河北工业大学

学位级别：硕士

石化行业是国民经济的支柱产业，但在石化产品的生产过程中易发生泄漏、爆炸等危害性极高的事故。为实施对石化行业泄漏检测预警及突发事故救援，迫切需要一种具有移动机器人代替救援人员进入事故现场进行事故现场信息采集和完成搜救任... 详细信息

石化行业是国民经济的支柱产业，但在石化产品的生产过程中易发生泄漏、爆炸等危害性极高的事故。为实施对石化行业泄漏检测预警及突发事故救援，迫切需要一种具有移动机器人代替救援人员进入事故现场进行事故现场信息采集和完成搜救任务。本课题来源于天津市科技项目“广域危险环境下泄漏检测预警与突发事故辅助救援系统”。针对广域油气田环境下泄漏检测、救援移动机器人平台的需求，开发研制了具有较强环境适应能力的轮腿式移动机器人，并围绕此移动机器人越障机构与调倾机构进行了运动学及动态稳定性的研究。本文主要工作如下：1.根据课题研究背景设计出轮腿式移动机器人结构，提出了机器人自适应调倾系统，并对机器人进行三段式设计，并具有越障和调倾两大系统，即使在非平整路面也具有较强的通过能力。2.建立了机器人越障过程中的运动学模型，并对此模型进行了运动学分析。考虑了转向滑动律，建立了机器人转向运动学模型。对于动态稳定性影响较大的机器人的质心建立了机器人质心运动学模型，分析了机器人越障系统和调倾系统对机器人质心的位置影响，为机器人的动态稳定性研究提供理论依据。3.采用标准动态能量稳定性方法研究了机器人在通过斜坡时不同姿态的动态稳定性，并分析了机器人速度及加速度对于动态稳定性的影响，调倾系统对于提升动态稳定性的作用，并验证了动态稳定性模型的正确性。4.在虚拟样机上建立了运动学仿真模型，验证了移动机器人的质心运动学模型和空间运动学模型的正确性。

关键词：轮腿式移动机器人运动学动态稳定性虚拟样机

一种小行星微重力环境仿生采样机器人的设计与实现

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一种小行星微重力环境仿生采样机器人的设计与实现

作者：董成成东南大学

学位级别：硕士

小行星探测对于研究太阳系生命起源和太空资源开发有着重要的意义,逐渐成为当前的研究热点。小行星表面取样是小行星探测最直接、有效的方法之一。为了克服小行星表面微重力环境,目前主要采用“一触即走”的软着陆取样方法。为解决小行... 详细信息

小行星探测对于研究太阳系生命起源和太空资源开发有着重要的意义,逐渐成为当前的研究热点。小行星表面取样是小行星探测最直接、有效的方法之一。为了克服小行星表面微重力环境,目前主要采用“一触即走”的软着陆取样方法。为解决小行星表面微重力环境和样品机械物理属性未知两个关键问题,本文基于仿生学原理提出了一种适用于小行星表面微重力环境的移动和取样方案,设计了一种小行星微重力环境采样机器人,其通过仿生轮腿式移动机器人携带取样器进行取样作业。通过对猫科类动物爪刺生理结构和运动机理的研究,提出一种具备微重力环境中锚固和爬行功能的仿生轮腿式移动机器人设计方法,同时解决了微重力环境下移动和锚固问题,能够为采样提供支撑力。设计了移动机器人的柔性躯体机构以及腿足机构,对机器人的锚固和移动性能进行了力学建模与结构优化分析,最后基于ADMAS软件进行了机器人运动学和动力学仿真研究,初步验证了设计方案的可行性。以穿山甲为仿生设计原型,对其打洞机理进行研究和分析,在此基础上提出一种基于刷扫和研磨的复合式取样器设计方法,解决了小行星表面样品机械物理属性未知下的自适应采样难题。首先通过理论建模的方法,评估了取样方案的可行性,然后基于离散元仿真软件EDEM研究不同参数对取样性能的影响,同时介绍了一种用于控制取样器向下推进取样的刚柔耦合结构伸展机械臂机构。在仿生轮腿式移动本体和取样器设计的基础上,设计了机器人的感知和控制方案,实现了软硬件系统设计。最后,制备了机器人样机,并搭建了实验测试平台,对机器人的移动和锚固性能进行了实验测试;选择不同样品模拟物进行了取样实验研究,分析了不同参数下取样质量、刷轮驱动力矩、取样器与样品间作用力的变化规律。实验结果表明,该机器人可以完成平地、沙地和崎岖石路爬行,并可以实现倒挂天花板爬行运动,同时机器人携带的取样器可以采集不同的样品模拟物,验证了基于仿生的轮腿锚固移动方案、刷扫和研磨取样方案的可行性,可为我国的小行星探测取样提供相关技术依据。

关键词：小行星探测仿生轮腿式移动机器人取样器取样方法

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复杂地形环境下轮腿机器人稳定性研究

复杂地形环境下轮腿机器人稳定性研究

作者：曹振方河北工业大学

学位级别：硕士

轮腿复合式移动机器人结合了轮式移动机器人移动迅速、灵活及腿式移动机器人越障能力强的特点,被广泛应用于各个领域。本课题基于天津市科技计划项目“广域危险环境下泄漏监测预警与突发事故辅助救援系统”(10ZCKFSF01400)进行研究。稳... 详细信息

轮腿复合式移动机器人结合了轮式移动机器人移动迅速、灵活及腿式移动机器人越障能力强的特点,被广泛应用于各个领域。本课题基于天津市科技计划项目“广域危险环境下泄漏监测预警与突发事故辅助救援系统”(10ZCKFSF01400)进行研究。稳定性是移动机器人工作性能的重要指标,针对实际环境下的运行需求,本文围绕机器人的姿态变化、运动能力和稳定性判定进行研究。根据轮腿式机器人的结构特点和姿态变化方式,基于机器人空间刚体速度完成接地角计算,并运用坐标变换法建立机器人在非结构环境中的运动学模型,得出机器人轮地接触点和质心的坐标表示。针对不同工作状态,研究机器人初始姿态的设定和不同地形下的越障姿态,并推导得出机器人摆臂的姿态变化与平台姿态的运动学关系。研究了机器人面对台阶、凸台、沟槽和小型障碍的通过能力,得出机器人四轮着地时可直接通过地形的包容条件及其结构特征对通过能力的影响。通过对机器人受冲击和紧急制动状态下稳定性的研究,验证了机器人运动速度的合理性。从力和力矩角度对机器人斜坡运动状态进行分析,得出机器人可稳定运行的最大斜坡坡度,验证了摆腿姿态合理变化对运动能力的影响。通过对斜坡转向的研究得出机器人瞬时转向中心的变化规律,为转向运动时保证机器人的稳定性奠定了基础。充分研究现有机器人稳定性判据,对各稳定性判定方法进行系统总结和仿真比较,确定各种方法的适用范围和优缺点。针对本文的研究平台和应用环境,综合考虑合外力和干扰力矩对稳定性的影响,对传统的力-角稳定性判据进行扩展,得出更为准确、全面的机器人稳定性判定方法。运用此方法对机器人的静态稳定性和动态稳定性进行仿真分析,验证了判定方法的合理性。运用ADAMS软件对机器人进行仿真,得出机器人攀爬台阶和斜坡转向时相关参数的变化,验证了机器人的运动性能。

关键词：轮腿式移动机器人稳定性判据越障能力姿态变化

基于激光雷达的轮腿式机器人爬楼可通过性研究

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电子测量技术 2018年第1期41卷 1-6页

作者：魏宏明宋爱国宋子墨丁天华李欢欢东南大学仪器科学与工程学院

基于现阶段移动侦察机器人的应用场景多处于城市环境的背景下,综合轮式速度快、腿式越障能力强的特点,设计了一款用于攀爬楼梯的轮腿式移动机器人。提出了轮腿式机器人攀爬楼梯的控制策略,并通过对比实验验证了轮腿式机器人在攀爬楼梯... 详细信息

基于现阶段移动侦察机器人的应用场景多处于城市环境的背景下,综合轮式速度快、腿式越障能力强的特点,设计了一款用于攀爬楼梯的轮腿式移动机器人。提出了轮腿式机器人攀爬楼梯的控制策略,并通过对比实验验证了轮腿式机器人在攀爬楼梯方面具有明显的优势,同时针对移动机器人在未知环境下无法对楼梯可通过性进行判断的问题,通过分析激光雷达扫描楼梯图像,建立线性回归模型得到楼梯的坡度,这为机器人在实际工程应用中路径规划提供了基础。

关键词：轮腿式移动机器人控制策略激光雷达线性回归

维普期刊数据库

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一种轮腿式森林防火机器人的研究与设计

科学技术创新 2021年第14期 59-62页

作者：李泽楷王皓李继鑫顾伟宏蔡德恩白宇东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150000

随着机器人研究的进步,越来越多的移动机器人可以在很多场合实现人类难以完成的工作,该领域有无限的发展潜力和研究价值。由于森林地形的高度复杂性和不确定性、野外火灾发生具有危险性等,这些因素加大了对森林火情勘测的难度。本文结合... 详细信息

随着机器人研究的进步,越来越多的移动机器人可以在很多场合实现人类难以完成的工作,该领域有无限的发展潜力和研究价值。由于森林地形的高度复杂性和不确定性、野外火灾发生具有危险性等,这些因素加大了对森林火情勘测的难度。本文结合GDA(Gravitationally Decoupled Actuation)方法并根据降低能耗原理,设计出了一种兼具轮式机器人的高速稳定性和腿式机器人的地形适应能力的轮腿式混合型机器人。通过Solidworks对轮腿结构进行构型设计及建模,基于烟雾识别、温度传感以及远程遥控技术,设计并搭建出火情监测云台,并基于STM32对轮腿式移动底盘的控制进行分析。

关键词：轮腿式移动机器人 GDA 火情监测云台 STM32