面向林业特种需求的复合轮腿机器人研究
发布时间：2020-09-24 04:42
将移动机器人这一高性能自动化平台引入林业监测可有效弥补传统作业方式在精确度、实时性和效率方面的缺陷。面向林区巡航监测的轮腿复合式移动平台结合了轮式和腿式运动模式的高速高效及通过性能,在林地复杂非结构化环境下开展近距离目标监测和巡航时具有良好的机动性和通过性。通过分析国内外现有复合式移动平台的结构特点并结合林区实际环境的需求,针对现有移动平台在林区环境下越障性能不佳等问题,本文设计了一种新型轮腿复合式移动平台。该平台采用推杆电机对复合轮腿的四边形结构进行驱动,对传统林用移动平台在越障性与稳定性方面的不足进行了改进。本文针对新型林用轮腿式复合移动平台开展研究,所完成的主要工作如下:1.设计了一种面向林业特种需求的轮腿复合式监测平台。首先对林区环境进行分析并将主要的地形因素进行合理评估,确定平台腿数及自由度、腿部机构方案、轮腿复合方案、驱动方式、运动模式及具体机构设计等。为了应对倒木、斜坡、乱石、涉水等多种林区复杂地形,采用推杆电机控制的开链关节连杆作为腿部设计方案以保证非结构化地形下的越障性能。采用建模软件Inventor完成了所设计平台各机构的三维建模及整机装配。2.推导了轮腿结构的正向运动学。依据D-H矩阵理论建立了单腿机构的正运动学方程,对选定关节角下末端轮体的位姿进行理论计算并在Matlab Robotics Toolbox中进行仿真,验证了运动学推导的准确性。然后基于蒙特卡罗法对所设计移动平台的有效包络域空间进行仿真分析,对轮腿机构的运动空间包络域进行求解以验证相关参数选取及机构设计的合理性。接着对整机平台、髋部、踝部及车轮等处关节角的理论速度进行推导。3.开展了复合移动平台的仿真分析。使用有限元分析软件ABAQUS软件对所设计的轮腿机构进行应力分析,选择轮腿机构在越沟时出现跌落这一极限工况作为其危险工况以校核其强度刚度;对所设计机构在四种运动模式下进行运动仿真,根据所得实验曲线对其稳定性及运行进行评估。最后根据野外林区实际应用需求对其控制系统进行整体设计以保证其在实际使用环境下的工作性能。该新型复合式轮腿机器人可以实现轮式行进、足式跨越和轮足复合式运动等多种运动功能,同时还可以根据实际工况改变轮距、轴距和机身高度从而实现全方位行驶。该机器人环境适应性强、越障能力好,能够在林地的复杂非结构化地形下开展作业并保持机身水平稳定,对林用无人平台的移动平台开发具有一定参考价值。
【学位单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S776;TP242
【部分图文】：
逡逑图１．２邋Ｓｗａｇｂｏｔ全地形移动农林机器人逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｓｗａｇｂｏｔ邋ａｌｌ－ｔｅｒｒａｉｎ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋ｆｏｒ邋ａｇｒｏ－ｆｏｒｅｓｔｒｙ逡逑腿式或足式移动机器人是一种结构控制较为复杂的平台，其腿足机构可以实现间逡逑歇交替运动。腿式机器人的移动方式使其具有良好的越障性能和环境适应能力，是理逡逑想的越野作业方案之一。典型的腿式机器人包括波士顿动力公司（Ｂｏｓｔｏｎ邋Ｄｙｎａｍｉｃｓ）逡逑的“大狗”高性能野外机器人（图１．３邋ａ）、Ｄａｎｔｅｌｌ邋（图１．３邋ｂ）及ＡＮＹｍａＫＨｕｔｔｅｒＭ、逡逑Ｇｅｈｒｉｎｇ邋Ｃ邋等，２０１７）等。逡逑．Ｔ逦ｏｆ邋ｍｏｔｉｏｎ逡逑（ａ）邋“大狗”机器人平台邋（ｈ）邋Ｄａｎｔｅ移动平台逡逑（ａ）邋Ｂｉｇｄｏｇ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋（ｂ）邋Ｄａｎｔｅ邋ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ逡逑图１．３腿式（足式）机器人逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋ｅｘａｍｐｌｅｓ邋ｏｆ邋ｌｅｇｇｅｄ邋ｒｏｂｏｔ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑履带式机器人装载有类似坦克和装甲车的履带结构，可以在一定＋甲度的地面上逡逑移动，同时具有跨越障碍物的能力。其稳定性较强且动载荷较小，适用ｆ林民等多种逡逑复杂崎岖路面条件。面向林丨Ｘ；巡护丨ｉ的的小型履带式移动机器人将林川巡防功能进行逡逑结合，可解决林区信息监测的实时性差等问题（吉洋，２０１３）。逡逑Ｉ．邋２．邋２复合运动模式移动机器人逡逑应用于非结构化地形条件Ｆ的高性能移动机器人需要综合考虑地形条件对平台逡逑性能的影响（宋小康、谈大龙等，２００Ｈ）。除上述传统移动机器人外，近年来结合了多逡逑种机构的复合式移动机器人成为研究重点。在单－移动模式的基础丨：
歇交替运动。腿式机器人的移动方式使其具有良好的越障性能和环境适应能力，是理逡逑想的越野作业方案之一。典型的腿式机器人包括波士顿动力公司（Ｂｏｓｔｏｎ邋Ｄｙｎａｍｉｃｓ）逡逑的“大狗”高性能野外机器人（图１．３邋ａ）、Ｄａｎｔｅｌｌ邋（图１．３邋ｂ）及ＡＮＹｍａＫＨｕｔｔｅｒＭ、逡逑Ｇｅｈｒｉｎｇ邋Ｃ邋等，２０１７）等。逡逑．Ｔ逦ｏｆ邋ｍｏｔｉｏｎ逡逑（ａ）邋“大狗”机器人平台邋（ｈ）邋Ｄａｎｔｅ移动平台逡逑（ａ）邋Ｂｉｇｄｏｇ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋（ｂ）邋Ｄａｎｔｅ邋ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ逡逑图１．３腿式（足式）机器人逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋ｅｘａｍｐｌｅｓ邋ｏｆ邋ｌｅｇｇｅｄ邋ｒｏｂｏｔ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑履带式机器人装载有类似坦克和装甲车的履带结构，可以在一定＋甲度的地面上逡逑移动，同时具有跨越障碍物的能力。其稳定性较强且动载荷较小，适用ｆ林民等多种逡逑复杂崎岖路面条件。面向林丨Ｘ；巡护丨ｉ的的小型履带式移动机器人将林川巡防功能进行逡逑结合，可解决林区信息监测的实时性差等问题（吉洋，２０１３）。逡逑Ｉ．邋２．邋２复合运动模式移动机器人逡逑应用于非结构化地形条件Ｆ的高性能移动机器人需要综合考虑地形条件对平台逡逑性能的影响（宋小康、谈大龙等，２００Ｈ）。除上述传统移动机器人外，近年来结合了多逡逑种机构的复合式移动机器人成为研究重点。在单－移动模式的基础丨：，轮腿式复合机逡逑３逡逑
逑构作为一种全方位运动系统应运而生。复合式移动机器人克服了单一模式的不足并综逡逑合了各独立平台的优势。主要的复合方式总结如下图所示（图１．４）。逡逑／邋腿式机器人＼逡逑＼复合式ｙ逦１邋ｉ逡逑＾履带式机器人ｊ￣￣轮式机器人ｊ逡逑图１．４复合式运动机器人类别逡逑Ｆｉｇ邋１．４邋ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ邋ｏｆ邋ｈｙｂｒｉｄ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑有关轮腿式复合机器人平台早期的研究重点为被动式悬架系统，该种被动式机构逡逑具有一定的自由度但无驱动装置，行驶效率较高且可以实现底盘随地形的变化而变逡逑化，由于其结构简单被广泛应用于多个行业领域。著名的研宄成果包括前苏联的逡逑Ｌｕｎａｋｈｏｄ－ｌ移动平台、美国ＪＰＬ的Ｂｌｕｅｒｏｖｅｒ及Ｒｏｃｋｙ７机器人、前苏联Ｍａｒｓｏｋｈｏｄ机器逡逑人平台（Ｊｏｈｎｓｏｎ邋Ｊ邋Ｒ、Ｒｕｆｆ邋ＳＷ邋等，２００１）、瑞士联邦技术学院（ＥＰＦＬ）的邋Ｓｈｒｉｍｐ（邋Ｌａｍｏｎ逡逑Ｐ、Ｋｒｅｂｓ邋Ａ等，２０１４）等。除被动式悬架类机械平台外，包括主动重构式结构在内的逡逑轮腿式机器人可以更加灵活地实现多种运动模式及越障功能。其典型案例包括加州理逡逑工大学的ＡＴＨＬＥＴＥ机器人顶目、ＵＰＭＣ的Ｈｙｌｏｓ机器人项目（Ｊａｒｒａｕｌｔ邋Ｐ、Ｇｒａｎｄ邋Ｃ等，逡逑２０１５）、Ｌｅｇ邋Ｖａｎ机器人项目（Ｇｒｏｎｏｗｉｃｚ邋Ａ、Ｊ．邋Ｓｚｒｅｋ等，２０１０）、Ｍａｗｓｏｎ移动平逡逑台（Ｐｅｙｎｏｔ邋Ｔ、Ｌｕｉ邋Ｓ邋Ｔ等
【学位单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S776;TP242
【部分图文】：
逡逑图１．２邋Ｓｗａｇｂｏｔ全地形移动农林机器人逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｓｗａｇｂｏｔ邋ａｌｌ－ｔｅｒｒａｉｎ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋ｆｏｒ邋ａｇｒｏ－ｆｏｒｅｓｔｒｙ逡逑腿式或足式移动机器人是一种结构控制较为复杂的平台，其腿足机构可以实现间逡逑歇交替运动。腿式机器人的移动方式使其具有良好的越障性能和环境适应能力，是理逡逑想的越野作业方案之一。典型的腿式机器人包括波士顿动力公司（Ｂｏｓｔｏｎ邋Ｄｙｎａｍｉｃｓ）逡逑的“大狗”高性能野外机器人（图１．３邋ａ）、Ｄａｎｔｅｌｌ邋（图１．３邋ｂ）及ＡＮＹｍａＫＨｕｔｔｅｒＭ、逡逑Ｇｅｈｒｉｎｇ邋Ｃ邋等，２０１７）等。逡逑．Ｔ逦ｏｆ邋ｍｏｔｉｏｎ逡逑（ａ）邋“大狗”机器人平台邋（ｈ）邋Ｄａｎｔｅ移动平台逡逑（ａ）邋Ｂｉｇｄｏｇ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋（ｂ）邋Ｄａｎｔｅ邋ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ逡逑图１．３腿式（足式）机器人逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋ｅｘａｍｐｌｅｓ邋ｏｆ邋ｌｅｇｇｅｄ邋ｒｏｂｏｔ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑履带式机器人装载有类似坦克和装甲车的履带结构，可以在一定＋甲度的地面上逡逑移动，同时具有跨越障碍物的能力。其稳定性较强且动载荷较小，适用ｆ林民等多种逡逑复杂崎岖路面条件。面向林丨Ｘ；巡护丨ｉ的的小型履带式移动机器人将林川巡防功能进行逡逑结合，可解决林区信息监测的实时性差等问题（吉洋，２０１３）。逡逑Ｉ．邋２．邋２复合运动模式移动机器人逡逑应用于非结构化地形条件Ｆ的高性能移动机器人需要综合考虑地形条件对平台逡逑性能的影响（宋小康、谈大龙等，２００Ｈ）。除上述传统移动机器人外，近年来结合了多逡逑种机构的复合式移动机器人成为研究重点。在单－移动模式的基础丨：
歇交替运动。腿式机器人的移动方式使其具有良好的越障性能和环境适应能力，是理逡逑想的越野作业方案之一。典型的腿式机器人包括波士顿动力公司（Ｂｏｓｔｏｎ邋Ｄｙｎａｍｉｃｓ）逡逑的“大狗”高性能野外机器人（图１．３邋ａ）、Ｄａｎｔｅｌｌ邋（图１．３邋ｂ）及ＡＮＹｍａＫＨｕｔｔｅｒＭ、逡逑Ｇｅｈｒｉｎｇ邋Ｃ邋等，２０１７）等。逡逑．Ｔ逦ｏｆ邋ｍｏｔｉｏｎ逡逑（ａ）邋“大狗”机器人平台邋（ｈ）邋Ｄａｎｔｅ移动平台逡逑（ａ）邋Ｂｉｇｄｏｇ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋（ｂ）邋Ｄａｎｔｅ邋ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ逡逑图１．３腿式（足式）机器人逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋ｅｘａｍｐｌｅｓ邋ｏｆ邋ｌｅｇｇｅｄ邋ｒｏｂｏｔ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑履带式机器人装载有类似坦克和装甲车的履带结构，可以在一定＋甲度的地面上逡逑移动，同时具有跨越障碍物的能力。其稳定性较强且动载荷较小，适用ｆ林民等多种逡逑复杂崎岖路面条件。面向林丨Ｘ；巡护丨ｉ的的小型履带式移动机器人将林川巡防功能进行逡逑结合，可解决林区信息监测的实时性差等问题（吉洋，２０１３）。逡逑Ｉ．邋２．邋２复合运动模式移动机器人逡逑应用于非结构化地形条件Ｆ的高性能移动机器人需要综合考虑地形条件对平台逡逑性能的影响（宋小康、谈大龙等，２００Ｈ）。除上述传统移动机器人外，近年来结合了多逡逑种机构的复合式移动机器人成为研究重点。在单－移动模式的基础丨：，轮腿式复合机逡逑３逡逑
逑构作为一种全方位运动系统应运而生。复合式移动机器人克服了单一模式的不足并综逡逑合了各独立平台的优势。主要的复合方式总结如下图所示（图１．４）。逡逑／邋腿式机器人＼逡逑＼复合式ｙ逦１邋ｉ逡逑＾履带式机器人ｊ￣￣轮式机器人ｊ逡逑图１．４复合式运动机器人类别逡逑Ｆｉｇ邋１．４邋ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ邋ｏｆ邋ｈｙｂｒｉｄ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑有关轮腿式复合机器人平台早期的研究重点为被动式悬架系统，该种被动式机构逡逑具有一定的自由度但无驱动装置，行驶效率较高且可以实现底盘随地形的变化而变逡逑化，由于其结构简单被广泛应用于多个行业领域。著名的研宄成果包括前苏联的逡逑Ｌｕｎａｋｈｏｄ－ｌ移动平台、美国ＪＰＬ的Ｂｌｕｅｒｏｖｅｒ及Ｒｏｃｋｙ７机器人、前苏联Ｍａｒｓｏｋｈｏｄ机器逡逑人平台（Ｊｏｈｎｓｏｎ邋Ｊ邋Ｒ、Ｒｕｆｆ邋ＳＷ邋等，２００１）、瑞士联邦技术学院（ＥＰＦＬ）的邋Ｓｈｒｉｍｐ（邋Ｌａｍｏｎ逡逑Ｐ、Ｋｒｅｂｓ邋Ａ等，２０１４）等。除被动式悬架类机械平台外，包括主动重构式结构在内的逡逑轮腿式机器人可以更加灵活地实现多种运动模式及越障功能。其典型案例包括加州理逡逑工大学的ＡＴＨＬＥＴＥ机器人顶目、ＵＰＭＣ的Ｈｙｌｏｓ机器人项目（Ｊａｒｒａｕｌｔ邋Ｐ、Ｇｒａｎｄ邋Ｃ等，逡逑２０１５）、Ｌｅｇ邋Ｖａｎ机器人项目（Ｇｒｏｎｏｗｉｃｚ邋Ａ、Ｊ．邋Ｓｚｒｅｋ等，２０１０）、Ｍａｗｓｏｎ移动平逡逑台（Ｐｅｙｎｏｔ邋Ｔ、Ｌｕｉ邋Ｓ邋Ｔ等
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 孙p
本文编号：2825319
本文链接：https://www.wllwen.com/nykjlw/nygclw/2825319.html
