复合式连杆越障侦测机器人研究

发布时间：2018-10-25 20:44

【摘要】：随着科技的进步和社会的发展,机器人技术成为当今世界备受关注的前沿课题。与此同时,随着人类在非规整复杂地形的各种活动增多,以及对具有潜在危险区域或者人员无法进入区域的探测活动的增加,越障侦测机器人的研究更是受到各行各业的青睐。因此,现在迫切需要一种在规整地形移动速度快和非规整复杂地形越障能力强且轻小便携的移动机器人来完成各种侦测任务。基于这样的环境及应用需求,本文提出了一种复合式连杆越障侦测机器人。本文中的机器人采用一种简洁可靠的轮杆式驱动机构,在平坦地面上使用轮式行走方式,在复杂的非规整地形中利用复合式连杆来进行越障。复合式连杆机器人采用对称式的机械结构设计,其驱动行走机构主要包括行动轮和复合式越障连杆,多根连杆物理连接在轮子的边缘部分,随着轮子转动且不会影响行动轮的运动,当其在较为规整的平坦地面上行走时,类似于传统的普通圆轮行走方式,行走效率高,移动速度快,不存在“奇异点”问题。而当其行走在非规整的复杂地形中时,则自动切换为越障模式,利用杆-杆、杆-轮、杆-身等相互切换来完成机器人的越障,具有越障能力强、控制简单等特点。首先,本文介绍越障侦测机器人的国内外研究现状,并对轮杆式移动机器人的结构进行分析。通过分析传统移动机器人机械结构的优缺点,从而引出本文中的轮杆式移动机器人的轮杆结构,并对其详细的结构设计以及整机的机械结构进行分析。然后,分别从连杆的个数和轮子的个数两个方面对轮杆式移动机器人进行分类。接着,对本文所述的机器人进行运动学和动力学的分析。建立参考坐标系并描述机器人在其中的位姿及运动规律;分析机器人在平面坐标系中的运动学模型。随后,重点分析复合式连杆机器人的运动原理及越障能力。本部分主要介绍了机器人在规整地形运动时所采用的同侧同相和全轮同相情况下的转弯方式,并详细分析了机器人在连续阶梯地形的越障过程及原理;紧接着,通过分析得到该机器人的极限越障高度为行动轮半径的三倍,并得出该越障高度下越障连杆的相关参数,越障效果最佳时的连杆个数和相位差;利用重心投影法分析机器人的静态稳定性及爬坡能力。机器人的控制系统设计部分首先介绍了控制系统的总体设计,然后分别对外围硬件部分和软件部分进行了详细的描述。最后,对复合式连杆越障侦测机器人样机的基本性能进行实验研究,主要包括规整地形的前进后退、转弯,以及非规整地形的越障和侦测性能的验证。本文提出的复合式连杆越障侦测机器人是一种结构简洁可靠、控制简单、效率高、地表适应性好、越障能力强、非轮非腿非履带式的移动机器人,既能在规整地形中保证圆轮的移动速度和行走效率,又能在非规整地形中利用复合连杆保证越障能力。该机器人集小功率、越障强、超轻量、环境侦测能力等特点于一身,适用于复杂地形和野外环境,尤其适用于带有连续阶梯的高楼大厦环境的侦测。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

【参考文献】