沙漠六足機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計與研究.pdf

1、隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,越來越多類型的移動機(jī)器人成為了研究對象,從輪式、履帶式到足式。其中足式機(jī)器人因為與自然界中的生物更加形似,而且相比前兩種形式運動方式更加靈活多樣而成為了重要的研究分支。首先因為其形似,自然而然產(chǎn)生了機(jī)器人仿生研究;其次可以做到落地點離散,在自然的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中比輪式和履帶式運動更加有效。仿生是人類學(xué)習(xí)的一種重要方法,向大自然中進(jìn)化了千萬年的生物學(xué)習(xí)它們生存的方式,研究總結(jié)出幫助我們更好地適應(yīng)環(huán)境、改善生活、提高工作

2、效率的辦法。仿生機(jī)器人的研究就是其中的典型。有足動物能夠在地球表面各種地形,包括巖石、草原、沙漠、泥沼上自如行走,但是人類制造的機(jī)械相比之下效率低下,靈活性差,鑒于以上原因,希望能夠借鑒動物的運動方式,設(shè)計出一臺適合在沙漠地區(qū)執(zhí)行任務(wù)的仿生六足機(jī)器人。
　　鑒于這樣的目的,本文著手從機(jī)構(gòu)、傳感器系統(tǒng)、控制裝置和通信系統(tǒng)幾方面對整機(jī)進(jìn)行設(shè)計與實現(xiàn);在機(jī)器人硬件部分制作完成之后,設(shè)計相應(yīng)的人機(jī)交互界面,用于和機(jī)器人進(jìn)行通信,包括下達(dá)控

3、制指令和獲得傳感器信息等;根據(jù)作為移動平臺在自然環(huán)境、沙漠環(huán)境中使用的特點,結(jié)合機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特點提出了直行、定點轉(zhuǎn)彎兩種基本步態(tài)和斜坡上穩(wěn)定裕量較大的斜坡步態(tài),保證機(jī)器人能夠穩(wěn)定工作。
　　在硬件部分過程中,根據(jù)動力需求和質(zhì)量、體積限制設(shè)計動力系統(tǒng)、供電系統(tǒng);根據(jù)控制需求設(shè)計主控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng);根據(jù)功能需求設(shè)計傳感器系統(tǒng);再根據(jù)所選電氣設(shè)備確定機(jī)械尺寸、結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝;最后到沙漠環(huán)境的高溫和大溫差特點設(shè)計了散熱系統(tǒng)。接著將

4、功能嵌入到一套基于圖形操作界面的上位機(jī)遙操作系統(tǒng)上。軟件能夠建立并維持與遠(yuǎn)端機(jī)器人上設(shè)備的控制連接,將現(xiàn)場的圖像、經(jīng)緯度、機(jī)器人的姿態(tài)信息、周圍環(huán)境的平面激光掃描圖視像畫面呈現(xiàn)給用戶。
　　為保證設(shè)計機(jī)構(gòu)的可靠性,同時為輕量化提供參考,針對重要部件——腿部結(jié)構(gòu)和承重框架進(jìn)行包括應(yīng)力、形變和模態(tài)三部分內(nèi)容的靜力學(xué)分析。
　　通過觀察、分析六足昆蟲和沙漠地區(qū)爬行動物的運動特點,嘗試以模仿生物運動的基本原理而非完全模仿生物結(jié)構(gòu)的方

5、式來指導(dǎo)機(jī)器人的有效運動。實現(xiàn)了類似螞蟻的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎步態(tài),并且結(jié)合了自身結(jié)構(gòu)特點提出一種原地轉(zhuǎn)身步態(tài),增加了運動靈活性。再以沙漠蜥蜴高速奔跑時的步態(tài)為參照,定性分析腿部結(jié)構(gòu)和砂礫表面的相互作用力,得出其中可以借鑒的運動方式,提高機(jī)器人在松軟介質(zhì)上的運動效率。然后對機(jī)器人進(jìn)行了運動學(xué)分析,得出六足機(jī)器人在負(fù)重情形下運動的關(guān)鍵控制變量。針對非結(jié)構(gòu)化的自然環(huán)境,首先要保證一定的靜態(tài)穩(wěn)定裕量,其次要保證步態(tài)的協(xié)調(diào),因此根據(jù)增大穩(wěn)定裕量的目標(biāo)提出