多節(jié)履帶式搜索機(jī)器人及其運(yùn)動(dòng)策略研究.pdf

1、搜索機(jī)器人在水災(zāi)、火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害以及各種人為災(zāi)害領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，各種災(zāi)害頻繁發(fā)生，人民的生命財(cái)產(chǎn)安全受到極大的威脅。災(zāi)難事故發(fā)生后，現(xiàn)場環(huán)境異常危險(xiǎn)，救援人員很難在第一時(shí)間實(shí)施搜索。為準(zhǔn)確獲得被困或遇難人員的位置以及現(xiàn)場溫度、氧氣含量、有害氣體含量、現(xiàn)場倒塌狀況等，研究替代或部分替代救援人員進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場實(shí)施環(huán)境探測的搜索機(jī)器人具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　在分析災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境的基礎(chǔ)上，針對搜索機(jī)器人的功能要求，制定出機(jī)器

2、人的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提出并研制了一種具有較強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力的多節(jié)串聯(lián)多履帶構(gòu)型的搜索機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)。采用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)提高機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)能力，每個(gè)單元四周均包覆履帶，不僅提高了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力，還可以實(shí)現(xiàn)輔助轉(zhuǎn)彎和防卡死。為實(shí)現(xiàn)四周履帶的同步協(xié)調(diào)控制，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用錐齒輪鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)，不僅縮短了傳動(dòng)鏈，而且結(jié)構(gòu)緊湊，四周履帶均可對稱布置；每個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有俯仰和偏航兩個(gè)自由度，其運(yùn)動(dòng)范圍均為±45o。針對存在大量易燃性氣體的應(yīng)用場合

3、，采用整機(jī)殼體密封正壓防爆技術(shù)對機(jī)器人進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。
　　針對搜索機(jī)器人頭部單元姿態(tài)調(diào)整運(yùn)動(dòng)，建立了機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并重點(diǎn)研究了其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。提出了一種新的空間分割方法對機(jī)器人的關(guān)節(jié)空間和工作空間進(jìn)行分割，并提出了基于空間分割和遺傳算法相結(jié)合的混合算法解決機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)無解析解的問題。該算法有效地縮小了遺傳算法的搜索空間，提高了求解精度?；谂ｎD歐拉法建立了機(jī)器人頭部單元姿態(tài)調(diào)整運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，并針對機(jī)器人調(diào)整頭部單元姿態(tài)

4、時(shí)易發(fā)生傾覆的現(xiàn)象進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析，給出了傾覆穩(wěn)定性判據(jù)，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的姿態(tài)調(diào)整提供了理論依據(jù)。針對搜索機(jī)器人的行走運(yùn)動(dòng)，分析了機(jī)器人履帶地面的作用機(jī)理，并建立了基于牛頓歐拉法的動(dòng)力學(xué)遞推方程。
　　針對災(zāi)難事故發(fā)生后的未知環(huán)境，提出了一種基于可視切線圖的未知環(huán)境建模方法。定義和描述了相關(guān)術(shù)語，闡述了可視切線圖的概念，并對可視切線圖進(jìn)行了擴(kuò)展。提出了基于可視切線圖的路徑規(guī)劃算法，該算法利用可視切線圖進(jìn)行環(huán)境建模，并將反應(yīng)式

5、路徑規(guī)劃和反射式路徑規(guī)劃兩種方法有機(jī)地結(jié)合起來，針對不同的環(huán)境進(jìn)行路徑規(guī)劃。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅證明了可視切線圖是一種有效的路徑規(guī)劃工具，而且證明了基于可視切線圖的路徑規(guī)劃算法是可行的，增強(qiáng)了機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，并且減少了所需運(yùn)動(dòng)時(shí)間，能夠滿足搜索機(jī)器人在未知環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)要求。針對搜索機(jī)器人跟蹤已確定的最優(yōu)路徑，建立了基于Follow-the-leader的跟蹤運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并提出了兩級(jí)遺傳嵌套優(yōu)化算法搜索機(jī)器人的最優(yōu)動(dòng)力學(xué)解。
　　

6、建立了搜索機(jī)器人自主越障運(yùn)動(dòng)方程，分析了搜索機(jī)器人逾越典型障礙的能力，并基于關(guān)鍵姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了越障動(dòng)作分析。針對多節(jié)履帶式搜索機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特性和環(huán)境障礙特征，提出了基于專家控制系統(tǒng)的自主越障分層規(guī)劃策略。該策略將自主越障規(guī)劃分為行為規(guī)劃和動(dòng)作規(guī)劃，對每種越障行為和對應(yīng)的行為動(dòng)作進(jìn)行離線規(guī)劃形成規(guī)則庫，并基于行為推理機(jī)和動(dòng)作推理機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線推理，實(shí)現(xiàn)了搜索機(jī)器人的自主越障功能。
　　建立了搜索機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對機(jī)器人地