小型轮腿式移动机器人

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1、硕士学位论文小型轮腿式移动机器人MINIATUREWHEEL-LEGGEDMOBILEROBOT耿德强哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：621.7密级：公开工程硕士学位论文小型轮腿式移动机器人硕士研究生：耿德强导师：刘伊威副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:242.3U.D.C:621.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineerin

2、gMINIATUREWHEEL-LEGGEDMOBILEROBOTCandidate：GengDeqiangSupervisor：AssistantProf.LiuYiweiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInst

3、ituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要目前，移动机器人迅速发展，广泛应用于军事侦察、行星探测、抢险救灾、家庭服务等工作场合。在传统的机器人中，轮式机器人具有较为简单的行走结构和控制方式；腿式机器人对于复杂环境有较强的适应能力；球形机器人拥有封闭的球形外壳，对本身结构、电气系统形成了保护作用，同时具有较强的恢复能力。本文从结合轮式、腿式、球形机器人的优点出发，研制了小型轮腿式移动机器人，主要内容包括：小型轮腿式移动机器人系统设计、机器人运动特性分析、机器人行走控制研究、机器人运动性能仿真与实验。首先，针对轮式

4、、腿式、球形机器人的结构优点，完成了小型轮腿式移动机器人的系统设计。确定采用“两轮并列+四腿对称布置+圆弧轮壳”的主体构型，行走采用偏重心驱动方式，腿部配合爬坡越障，轮壳实现自动复位；采用局部模块化思想，进行了小扭矩电机配合减速器的传动单元设计；同时进行了腿部结构、保护壳、轮壳的设计；对机器人关键承载件进行了强度校核；介绍了传感器和电气系统。其次，对小型轮腿式移动机器人运动特性进行了分析。利用拉格朗日方程建立了机器人的动力学模型，通过Matlab迭代数值求解和Adams仿真，验证了动力学模型的正确性；针对机器人在不同地形下的运动策略，对

5、机器人分别在腿部收缩和伸出状态下的爬坡、越障能力进行了分析。再次，进行了机器人行走控制的理论研究和仿真。将机器人的运动学模型进行线性化处理，转化为状态方程；通过Simlink对状态方程和Adams系统仿真对比，验证了状态方程的准确性。在系统可控的前提下，进行了一系列控制器设计和仿真，状态反馈控制器的设计，实现了机器人在系统输入下快速达到稳态；基于扩展状态变量的速度跟踪控制器的设计，实现了机器人对任意速度的跟踪；基于backstepping思想的轨迹跟踪控制器的设计，实现了机器人对任意轨迹的实时跟踪。最后，针对小型轮腿式移动机器人的运动性

6、能，进行了Adams仿真和样机实验。行走实验验证了两轮偏重心驱动的合理性；自动复位仿真和实验验证了机器人较强的恢复能力；通过机器人爬坡、越障仿真和实验，验证了机器人爬坡、越障能力的理论分析，得到了机器人的结构和性能参数。关键词：移动机器人；轮腿式；行走控制I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractCurrently,mobilerobotshavearapiddevelopmentinthewholeworld,whichiswidelyappliedtomilitaryreconnaissance,planetaryexplor

7、ation,emergencyanddisasterreleasing,domesticservice,etc.Amongtraditionalrobots,wheeledrobotandtrackedrobothasrelativelysimplewalkingstructureandcontrolmode;leggedrobotorbioniccrawlingrobothasabetteradaptiveabilityofcomplicatedenvironment;sphericalrobothasaglobalshellwith

8、astrongrecoverycapabilitywhichwillprotectitsownstructureandelectricalcontrolsystem.Basedontheadvantages