可重構(gòu)多機(jī)動(dòng)模式移動(dòng)機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動(dòng)機(jī)器人在諸如戰(zhàn)場、醫(yī)療、服務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛和行星探測時(shí)代的來臨，對未知環(huán)境中自主移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與理論的需求日益增長。未知環(huán)境是指未知幾何構(gòu)造、未知地面地形地貌以及含有其它未知因素的環(huán)境；機(jī)器人對環(huán)境一無所知，無任何先驗(yàn)信息，且環(huán)境中不存在路標(biāo)、燈塔等人為參照物；從空間角度看，通常是三維的。要在這樣或類似的環(huán)境中研究移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航的理論與技術(shù)，擁有一個(gè)具有穩(wěn)定性、通過性、越障性、可靠性和機(jī)動(dòng)性的硬件移動(dòng)平臺絕對是必要的，

2、因?yàn)槿魏蜗冗M(jìn)的算法和理論都需要通過高機(jī)動(dòng)性和高通過能力的載體來實(shí)現(xiàn)。
　　本文針對“未知環(huán)境中自主工作智能移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)研究”的國家863項(xiàng)目，在綜述國內(nèi)外關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人走行部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制體系、機(jī)動(dòng)性和通過性等移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合利用精密機(jī)械、網(wǎng)絡(luò)通信、傳感技術(shù)等學(xué)科的技術(shù)，研制開發(fā)出一種多機(jī)動(dòng)模式可重構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人。對所涉及的移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。
　　研制一種四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和獨(dú)

3、立轉(zhuǎn)向(4WD4WS)的移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械本體、控制系統(tǒng)的軟硬件。機(jī)器人的重構(gòu)特性可使之變換出具有不同軸距、輪距、重心高度、凈空和穩(wěn)定裕量的機(jī)器人構(gòu)型以適應(yīng)不同導(dǎo)航任務(wù)；而其具有仿生特性的輪子，可使機(jī)器人具有沙地通過能力。所開發(fā)的以PC104為核心、以直流電機(jī)控制網(wǎng)為控制底層，以管理協(xié)調(diào)子模塊為樞紐的控制系統(tǒng)硬件和基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人參數(shù)測控軟件，為分級并行競爭式控制體系結(jié)構(gòu)、小空間系統(tǒng)綜合技術(shù)、分布式供電與電源實(shí)時(shí)管理技術(shù)的實(shí)施提供物理支撐載

4、體。
　　針對所研制的移動(dòng)機(jī)器人可重構(gòu)的特點(diǎn)，運(yùn)用解析與投影幾何方法，建立相對比較系數(shù)，從移動(dòng)機(jī)器人的穩(wěn)定性、幾何通過性、操縱性和運(yùn)動(dòng)空間等角度定量地分析機(jī)器人重構(gòu)構(gòu)型的主要性能指標(biāo)并給出重構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化的結(jié)果。
　　盡管具有復(fù)合傾角的輪子(車輪有內(nèi)/外傾角，輪臂有前/后傾角)在機(jī)器人與車輛中有所涉獵，但在其運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論分析方面還鮮見報(bào)道。本文針對具有復(fù)合傾角的輪子的移動(dòng)機(jī)器人建立空間三維運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并分析復(fù)合傾角對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)

5、性能的影響，為以后的運(yùn)動(dòng)控制做理論準(zhǔn)備。
　　基于運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，證明在理想條件下(剛性輪子和地面之間點(diǎn)接觸并保持純滾動(dòng))四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向(4WD4WS)移動(dòng)機(jī)器人基于瞬心的統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)規(guī)律。提出實(shí)際條件下基于任意分布速度瞬心的移動(dòng)機(jī)器人統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)控制算法以及具有能耗低、響應(yīng)快特點(diǎn)的約束控制算法并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對4WD4WS型移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎特性做統(tǒng)一整合，為進(jìn)一步提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性奠定理論基礎(chǔ)。
　　針對崎嶇地面的輪式移動(dòng)

6、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，提出估計(jì)結(jié)合逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型三維準(zhǔn)靜態(tài)力矩控制方法。其優(yōu)點(diǎn)在于UKF非線性濾波算法較之EKF算法有較好的收斂性且能避免EKF算法的發(fā)散，而且附加成本低、易于實(shí)現(xiàn)。
　　針對多輪式移動(dòng)機(jī)器人的走行輪布置與動(dòng)力分配多種多樣的特點(diǎn)，本文用走行輪驅(qū)動(dòng)配置矩陣(DCM)來統(tǒng)一描述機(jī)器人的走行輪動(dòng)力配置；其中非滿秩DCM所反映的是整個(gè)走行輪組動(dòng)力驅(qū)動(dòng)不完整的各種情形。針對這些DCM非滿秩情形，給出基于路徑分解和運(yùn)動(dòng)分解的移動(dòng)機(jī)器人