六足-四足双运动模式移动机器人系统的研究

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在现代社会,移动机器人已被广泛应用于搜救、侦查、核辐射检测等环境中,代替人类执行困难、复杂和危险的任务。相比于其他运动形式的移动机器人,多足机器人具有更好的环境适应性和越障能力,得到了广泛的关注,典型的代表有六足机器人和四足机器人。现有的六足机器人基本不具备作业能力,或是通过载臂完成作业任务,没有充分利用自身冗余的结构和腿部的多自由度。针对这一问题,本文研制了一种具有六足-四足双运动模式的,能完成一定作业任务的移动机器人系统,并开展了实验研究。针对复杂环境下的作业任务需求,确定了机器人系统的功能和性能要求,基于此设计了一种六足-四足移动机器人系统的结构,包括分段式躯干、变换机构、模块化腿部和四自由度尾部。建立了各部分的运动学模型,进行了运动学分析,并规划了两种运动模式下机器人的典型运动步态和避障轨迹。为分析机器人的稳定性,并对稳定运动规划提供理论依据,对机器人的质量分布进行了简化,推导了系统重心表达式,提出了以压力中心法为依据的稳定性判据,得出了稳定裕度方程。进一步地,分析了尾部机构对机器人系统稳定性的调节作用,并据此提出了基于尾部自调节的稳定步态规划方法,即根据尾部的调整来平衡多足运动以及双足操作过程产生的对系统质心偏移的影响,保证了系统的稳定。本文还开发以STM32系列芯片为控制核心的嵌入式控制系统,编写了机器人的运动控制程序和上位机软件,实现了上位机与机器人的无线通信。最后,完成了六足-四足移动机器人系统样机的制作与调试,并开展了一系列实验,包括基本运动实验、楼梯攀爬实验和货物搬运实验。结果表明,所设计的机器人具有较好的运动能力和作业能力。
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