一种轮腿式移动机器人的设计与实现

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轮腿式移动机器人结合了轮式机器人在平坦路面运动灵活高效的特点和腿式机器人越障能力强的特点,可广泛应用于室内外复杂环境中,执行侦察、探测、信息采集等任务。本文设计并实现了一种轮腿式移动机器人,对其进行了建模、仿真、理论分析、控制系统设计和实验研究。  首先,对机器人进行机构设计和运动机理分析,机器人由前轮腿模块、后轮腿模块和躯干模块三部分组成,具有上下左右对称和主动柔性躯干的特点。对机器人腿式步行运动以及越障能力进行了分析,初步得到机器人步长理论值为28.7cm,翻越障碍物的最大高度为13.2cm。  其次,设计了机器人的控制系统,包括硬件系统和软件系统。此外,针对轮腿式移动机器人的应用特点,设计了两种控制接口。基于Kinect的体感控制接口,设计了十一种控制姿势,并提出了一种人体姿势识别算法,将控制姿势转换成机器人相应的运动控制命令,实现了对机器人的运动控制。基于Android平台开发了机器人的软件控制界面,通过WiFi实现了机器人控制命令的发送和摄像头视频数据的采集。  最后,对机器人的基本运动性能和两种控制接口的实际效果进行了实验测试。采用基于Android平台的控制接口对机器人的基本运动进行了控制实验。机器人的基本运动实验包括轮式和腿式直线运动实验,轮式和腿式转弯运动实验,以及越障实验。(1)直线运动实验结果表明轮式直线运动最大速度为28.7cm/s,三秒运动距离为86.3cm时,平均偏移距离约为2.7cm;腿式直线运动的平均步长为27.1cm,三个步态周期的运动距离为81.3cm时,平均偏移距离为3.0cm。(2)轮式和腿式转弯运动实验结果表明,在相同时间内轮式和腿式转弯的角度随着中间躯干关节在水平面内的旋转角度的增大而增大,转弯半径随着躯干旋转角度的增大而减小,主动柔性躯干关节有效提高了机器人轮式和腿式转弯的灵活性。(3)机器人越障实验结果表明,该机器人可以翻越障碍物的最大高度为10cm。另外,当机器人出现倾覆时可通过改变运动步态实现继续运动,验证了该机器人机构对称设计的优越性和机器人较强的环境适应能力。(4) Android控制接口实现了机器人的运动控制和视频信息采集,验证了其控制的灵活性;基于Kinect的体感控制接口的实验结果表明,当选取的控制姿势的有效时间是100ms,控制姿势特征角度的阈值为15°时,姿势识别的成功率为96%,当控制姿势识别成功时,上位机将相应的控制命令下发能够实现对机器人的运动控制,从而验证了该控制方案的可行性。
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