轮足式机器人越障临界载荷动态分配与关节柔顺性鲁棒控制方法研究

For mobile robot walking in rough terrain with poor ability for climbing over the obstacle and large energy consumption, a new wheeled-legged robot will be researched. The robot dynamics will be established based on European groups of geometric integration method. The space wireless sensor network will be built to estimate the position of robot centroid in critical stability control and intelligent control method will be researched. Based on screw theory and Kane dynamic equation, transient mechanics model of robots joint will be built in state of climbing across the limit obstacle. The dynamic stress distribution will be simulated by finite element model of robot joints in high bearing condition. A redundancy driving device will be designed using a robust nonlinear method to accomplish the compliance control for robot climbing over obstacle. The acceleration space model will be established and the robot path will be optimized by using of potential field guiding evolution algorithm. The deliberating behavior model will be established and walking strategy of either using wheels or using legs will be researched. The real-time posture control method will be acquired. The prototype of wheeled-legged robot will be developed and the dynamics will be researched experimentally. The simulation results will be verified by robot experiments. The robot structure, performance parameters and movement parameters will be optimized. This project research results will provide the theory basis for developing new wheeled-legged robot and solving critical instability and joint failure for robot climbing over obstacle.

针对复杂地形中行走机器人越障能力差、能耗大等特点，研究一种新型的轮足式机器人。基于欧式群几何积分方法建立轮足机器人动力学模型，构建面向临界稳定控制的空间无线传感网，预估各临界状态的系统质心位置，并给出相应的智能控制方法。基于旋量理论与凯恩动力学方程，建立机器人关节在极限跨越状态的瞬态力学模型，利用有限元仿真得到关节在高承载状态迁移过程中的动应力分布规律。采用鲁棒非线性方法设计冗余动力机构，实现轮足机器人在跨越障碍过程中的柔顺控制。建立加速度空间模型，利用势场引导进化算法对机器人路径进行优化。建立轮足机器人越障慎思行为模型，给出轮足行走互换策略，提出实时位姿控制方法。研制轮足式机器人实验样机模型，实验分析不同工况下机器人的动力学特性，验证动力学特性仿真模型与结果，优化机器人结构性能参数与运动参数。本课题研究成果为开发新型轮足式机器人，解决越障时临界失稳与关节失效等问题提供理论依据。

本课题研究一种新型六轮足式关节机器人，提出了基于轮廓识别的立体匹配和三维重建算法，有效地提高了障碍物匹配与重建过程的准确性和实时性。在现有拼接算法和不同空间直角坐标系之间转换模型的基础上，提出了双重配准可变视角内的三维拼接方法，使轮足式机器人能够根据实际要求，对可变视角内的障碍物进行检测，并进行了实验验证。针对室内复杂环境，提出了一种基于图优化方法的轮式机器人SLAM（同时定位与地图构建）框架，基于标准数据集的实验结果验证了该框架的系统鲁棒性与实时性。基于D-H法和矢量图法建立了六足机器人运动学模型，在此基础上，提出了一种基于多维度空间耦合的机身工作空间求解方法。在传统落足点评估方法的基础上，提出了一种基于多重约束的摆动腿足端落足点评估方法，并给出了落足点评估函数。建立了机器人三维模型，通过Matlab和Adams对机器人在非平坦地面下的步态策略进行了联合仿真验证，并且通过样机实验验证了仿真结果的有效性。对比分析了几种常见机器人稳定性判定方法的优点和局限性，最终依据规范划能量稳定裕度判定准则，提出了一种基于机器人阻抗特性的动态稳定性判定方法，建立了基于阻抗特性的机器人动态稳定性数学模型，有效地实现了机器人稳定性判定的准确性，确保了机器人稳定行走，并通过Adams和Matlab进行了联合仿真验证。提出了机器人腿部结构设计4准则，基于这些准则，并通过Adams对腿部结构参数进行优化设计，得到了腿部连杆总长度以及各连杆之间的最佳长度比；提出了机身结构设计3准则，基于这些准则，并通过Adams对两种机身形状候选方案的机器人步态稳定裕度和腿部的最大关节转角限制进行了仿真验证。提出了两种机器人运动控制方法，采用这两种方法分别设置机器人关节舵机初始参数，完成了机器人的运动控制过程。本项目研究成果对优化轮足式机器人结构及机器人运动控制等具有重要的理论价值。