【UR78页】毕业论文_轮腿复合式机器人控制系统设计_及越障分析.doc文档定稿

在这种军事需求的牵引下，无人部队，包括无人飞机无人地面武器搭载平台等将成为未来战争中的支重要的力量。

本文结合实验室项目轮腿复合式机器人，初步完成了以下的研究工作首先完成了轮腿复合式机器人控制系统的设计安装以及调试工作。

该机器人采用六套轮腿机构，每套轮腿机构分别由摆腿电机和行走电机控制机器人摆腿和车轮的运动。

控制系统分为嵌入式计算机控制系统和运动控制器。

嵌入式计算机控制系统实现机器人平面运动及越障算法，生成电机运动指令，如速度位置等信息运动控制器完成电机的运动控制，包括速度和位置等，二者采用总线通信。

其次完成了轮腿复合式机器人运动学建模及分析。

机器人的运动学分为两部分平面行驶运动学和空间位姿运动学。

平面行驶运动学中，建立了机器人差速转向的运动学模型，设计运动轨迹分析机器人车轮的速度分布。

空间位姿运动学中，建立了机器人通用的空间运动学模型和质心运动学模型，并且针对机器人在越障过程中会出现的特殊姿态，简化了通用的质心运动学模型，得到不同的特殊姿态下的质心运动学模型，为机器人的越障稳定性控制提供了依据。

再次完成了轮腿复合式机器人针对典型障碍的越障分析。

针对垂直障碍壕沟障碍斜坡障碍三种典型障碍，分析了机器人的越障能力，规划了机器人的越障动作，提出了综合考虑越障裕度越障安全及越障稳定性的优化方法，对机器人的越障姿态进行数值优化。

在中对所规划的机器人越障动作进行虚拟仿真，验证了所规划越障动作的正确性。

最后，编制了控制机器人的人机交互界面，完成了机器人平面行驶运动学及越障实验，验证了本文提出的机器人控制理论的正确性。

关键词轮腿复合式机器人质心运动学越障分析运动控制哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要第章绪论课题背景及研究的目的和意义国内外轮腿复合式机器人研究现状轮腿复合式机器人研究现状及分析轮腿复合式机器人控制系统研究现状及分析课题来源与研究内容第章轮腿复合式机器人控制系统设计引言轮腿复合式机器人介绍机器人结构本体介绍机器人控制系统介绍运动控制器的介绍可编程逻辑器件程序设计光电码盘信号四倍频设计串行通信设计运动控制核心程序设计程序总体设计电机码盘计数防溢出算法电机速度控制算法电机位置控制算法通信设计嵌入式计算机中的通信设计运动控制器的通信设计本章小结第章机器人运动学建模及分析引言平面运动学分析同向差速运动学分析哈尔滨工业大学工学硕士学位论文反向差速运动学分析平面运动学的轨迹规划及仿真机器人的空间位姿运动学分析特殊姿态运动学模型六轮支撑的运动学模型中后轮支撑运动学模型前后腿支撑的运动学模型车体倾斜运动学模型车体倾斜俯仰结合的运动学模型本章小结第章典型障碍越障分析引言机器人越障动作规划垂直障碍越障动作规划壕沟障碍越障动作规划斜面越障动作规划越障能力分析垂直障碍越障能力分析壕沟障碍越障能力分析斜坡上越障能力分析越障关键姿态分析机器人越障的关键姿态分析内点惩罚函数法优化目标函数机器人越障虚拟仿真攀越垂直障碍虚拟仿真跨越壕沟障碍虚拟仿真斜面越障虚拟仿真本章小结第章行走及越障实验引言人机交互界面机器人行走实验越障实验攀越垂直障碍实验哈尔滨工业大学工学硕士学位论文壕沟障碍越障实验斜坡障碍越障实验本章小结结论参考文献攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明致谢哈尔滨工业大学工学硕士论文第章绪论课题背景及研究的目的和意义在现代战争中，各国都在尽力追求零死亡，在达到预期的军事目的情况下，要求伤亡率降到最低。

在这种军事需求的牵引下，更多的集机械化信息化电子化机动化和隐身化的无人部队将成为未来战争中的支重要的力量。

世纪的战场将是无人化战场，目前，已经有大量的无人机无人潜水器无人装甲车及智能机器人等武器装备走上了战场。

在海湾战争伊拉克战争及阿富汗战争中，美国动用大量的捕食者全球鹰等无人机来完成信息侦察定点清除等各项作战任务。

全自主型无人潜艇能够完成收集情报侦察水雷在浅海水域进行反潜作战等任务。

在好莱坞大片拆弹部队中，履带式移动机器人代替士兵进行拆弹作业，大大降低了士兵的伤亡。

在战争中环境极其危险和复杂，装甲车承担了运送兵力运输给养的重要任务。

美国的悍马军车是款集高机动性多用途越野性能极强等诸多优点于体的野外运输车辆。

在海湾战争中，悍马军车承担军事人员和军用物资的运输反坦克作战火炮牵引等多项作战任务，显示了非常出色的越野性能，并且有很高的有效载重能力。

但是，悍马军车的火力系统和防护装甲并不是特别理想，在作战过程中，士兵在乘坐悍马军车进行作战时不能得到很好的防护。

美国陆军的斯瑞克装甲车的设计则弥补了悍马军车的不足，它的火力系统可与坦克媲美，而机动性能可以和悍马军车平分秋色，被大量投放于伊拉克。

同时，斯瑞克装甲车可以根据需要进行改装，比如运载侦察和监管设备的侦察车能够发射追击炮弹的迫击炮运输车反坦克导弹武装的指挥官用车医疗疏散车等等。

无论悍马军车还是斯瑞克装甲车，其底盘都比较高，而且有着非常出色的减震系统。

在普通的的崎岖路面，车很容易通过。

但是，面对些天然形成的或者敌人设计的垂直障碍壕沟等障碍物，比如障碍物的高度大于车轮半径壕沟宽度大于车轴轴间距等，装甲车将无法通过。

同时悍马军车和斯瑞克装甲车都是由士兵操纵的，在危险的战场中，即使有装甲的防护，面对路边炸弹地雷等袭击时，士兵的生命同样面临极大的威胁，这样必然会带来伤亡。

行星探测车在人类的行星探测活动中具有举足轻重的作用，它可以代替人类到未知的环境中进行科学探测和科学考察活动。

但是行星表面般都非常崎岖，有很多大小不等的岩石壕沟等。

为了适应复杂的非结构环境，行星探测车必须具有很强的地面适应性和自主性，目前已经出现的行星探测车，通过设计定的哈尔滨工业大学工学硕士论文机构构型，都具有很强的越障性能，包括前苏联设计的月球车美国宇航局喷气动力实验室设计的索杰纳火星车以及新代的火星漫游车。

这些行星探测车都具有良好的越障性能和极强的自主性能，能够自主识别地形，做出相应的判断。

但是行星探测车的有效载荷般比较小，结构比较复杂，存在很多的被动自由度，改装成军用装甲车的困难比较大。

本课题所研究的轮腿复合式机器人，集合现有的装甲车和行星探测车的优点，采用简单的的行走机构，在不同的路况下上能够采用不同的机构构型，不仅能够在普通的或者崎岖的路面上实现较强的越野性能，而且能够通过垂直障碍壕沟等极端路面条件。

在未来的战场中，该机器人可以改装为无人运输车辆无人排雷战车无人武器搭载平台等，来发挥重要的作用。

故本课题有良好的应用背景。

国内外轮腿复合式机器人研究现状轮腿复合式机器人研究现状及分析前苏联分别于和年向月球发射了探测车月球车号月球车号，如图所示。

月球车号质量为，其设计的初衷为传输月球上照片和科学数据，在月球上运行了个月的时间。

月球车为月球车的升级版本，质量为，其设计速度更快，为，并且增加了摄像头。

月球车和月球车的主体结构基本相同，采用扭杆式的摆臂机构，每个摇臂和载荷平台固定连接，在平衡杆上端和载荷平台铰接的地方安装个扭转弹簧，这样，就能够保证车轮和地面始终保持接触状态。

美国卡内基梅隆大学于年研制出款新代的月球探测车，极地探险车，如图所示。

采用四轮单独驱动的形式，车底盘采用可变形的结构和创新的车体悬挂系统。

车上搭载个可以旋转的摄像头。

机器人重量为，机器人的尺寸可以通过四杆机构从平时的展开到，可爬越障碍高度，最大速度，平均速度。

位于左侧和右侧之间的平衡机构连接两侧的转向架，这个平衡机构在垂直方向上有定的自由度，并允许转向架绕其旋转。

当机器人在崎岖路面行驶时，可以保证各个轮子在地面上的压力相等。

美国喷气动力实验室的索杰纳火星车，如图所示。

该机器人于年月发射向火星，年月登陆火星，为人类在火星上真正从事科学考察工作的第台机器人。

该机器人的质量在公斤之内，车轮直径为，采用不锈钢防滑链条增大车轮的摩擦力。

机器人共有个车轮，每个车轮都有套的悬挂机构，使机器人能够在各种崎岖的地形上行驶，尤其是哈尔滨工业大学工学硕士论文软沙地。

机器人的前后方均有的转向机构，正常驱动功率为瓦时，最大运动速度为。

该机器人采用悬架式结构，由于质量和体积都比较小，其越障性能并没有得到很好的体现。

图月球车号图极地探险车美国宇航局于年月日将勇气号火星车发射到火星，年月日成功登陆火星，如图所示。

勇气号火星车长宽，太阳能帆板展开之后宽，质量为。

机器人的车轮直径为，采用六轮摇杆悬吊式结构，能够翻过最高高度的障碍物，能够在至少度的斜坡上行驶。

机器人在坚硬路面上的最高行驶速度为，在松软沙地上的最高行驶速度为。

图索杰纳火星车图勇气号火星车美国卡内基梅隆大学于年研制的圣甲虫月球探测车，如图所示。