多地形移动机器人的机构动态耦合与控制方法研究

Mobile robots are mainly used for executing the tasks of military reconnaissance, anti-terrorism, violence preventing, rescue, nuclear leak and pollution detection. But, improving the high passing ability and high mobility when the mobile robots work in the complex environments becomes a bottleneck issue which restricts the development of the robot technique in depth. Facing common problems that locomotion mechanism can move on diverse terrains fast and flexibly, this project mainly studies on the interaction between robot and terrain, dynamic coupling, mechanism motion balance control and other serious problems that need to be solved urgently. Based on the mechanism interaction between the robot and the complex terrain, and the establishment of nonholonomic constraint statistical dynamic model under the multi-dimensional force field, a mechanism dynamic coupling method will be presented for making the robot adapt to the complex terrain with high passing ability and high mobility, and to solve the comprehensive related problems such as mechanism configuration, obstacle passing over and coordination. Further more, the robot dynamic model considering of multi-dimensional force factor is also proposed to give the effective motion balance control method of the robot system. Finally, the mobile robot will be tested on the natural environment to obtain the innovations of the mechanism dynamic coupling method and motion balance control technique for adapting to various terrains. Through the project research, a necessary foundational theoretical design method and technical solution for the mobile robot will be provided for mobile robot application in practical cases.

移动机器人主要用于军事侦察、反恐防暴、抢险救灾、防核化及污染检测等多个领域，但移动机器人在复杂环境下的高通过能力与高机动能力的提高一直是制约起技术纵深发展的瓶颈问题。本项目将针对移动机器人在多种地面环境下运动机构快速灵活移动的共性问题为出发点，重点研究机器人多地形交互、机构动态耦合与控制方法等亟待解决的突出难题，基于研究机器人与复杂地面环境相互作用机理、建立多力场的机器人非完整统计动力学模型的基础上，提出一种机器人适应多地形的、具有高通过和高机动能力的机构运动变换方法，以解决精巧机构构型、越障与动作协调等关联性问题，还将提出包含多维力因素的机器人动力学模型，研究并得到对机器人有效的控制方法。最终在自然形成的复杂地形上加以验证，获得机器人可适应多种地面环境下移动机构的动态耦合变换方法和运动控制方法的创新成果。项目的研究将为移动机器人在复杂环境下的真正实用化提供重要的理论指导和技术解决途径。

一、项目背景. 移动机器人是具有移动能力并能完成作业任务的系统，随着移动机器人在众多领域应用的不断深入，暴露出一些关键性问题，其中之一是在适应多种复杂地形环境的通过能力与机动能力欠佳。特别是存在环境条件恶劣，地形复杂，而且存在未知和变化的因素，这种极端复杂的环境条件往往使机器人行动和作业的难度加大，以至于机器人无法到达预定的作业位置。目前的机器人只适应单一化的路面环境，存在着移动能力低和环境适应性差等不足。通过对现有机器人移动能力效果的调研发现，存在以下局限：.① 环境因素。移动机器人面向的是非结构化复杂环境，地面类型多种多样，如震灾后的废墟、野外杂草地、潮湿的土地、沙地、雪地、砂石地、以及带有上述两种或几种地形特征的地面等，由于地面环境的复杂性和不确定性的影响，移动机器人的移动能力受到了大大的限制，因此研究移动机器人与地面环境的交互、机器人移动机构的创新，从而提高其移动能力，实现机器人的高通过性能和高机动性能已成为当前的迫切攻克关键问题。.② 技术方法因素。移动机器人普遍的移动方式基本是轮式、履带式、腿足式，以及上面三种方式的组合形式，但是这又带来一些问题，如结构复杂庞大、本体过重，从而使得机器人的耗能严重，不便于携带，且加工过程复杂和研制费用过高等等。这些问题互相缠绕，相互制约，已成为开发移动机器人时令人头疼的问题。. 针对限制移动机器人在复杂地形环境下的作业性能的主要问题，诸如关于复杂地形的通过性与适应性、移动机构与运动变换方法、机器人与地面交互评价机制、多类复杂路面的运动稳定性等重要问题，其解决方法尚未明确，理论体系有待充实。.二、主要研究内容. 围绕轮式移动机器人高机动性和履带式移动机器人高通过性的优点，在同轴两轮移动机器人和履带移动机器人理论研究和技术积累的基础上，重点研究移动机器人轮-履机构动态耦合方法、机器人与地面的交互、多运动模式下移动机器人运动稳定控制方法，取得创新成果，为移动机器人的研究提供重要的理论基础。.三、关键数据和科学意义. 通过该项目的研究，发表了13篇SCI和EI论文，获得了6项国家发明专利，培养了7名博士和硕士研究生。项目研究所形成的理论方法和平台对今后的继续研究具有重要的指导意义。