（机械工程专业论文）新型复合式仿生轮腿机构运动学及动力学研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 移动机器人已经广泛应用于侦查、营救、排爆、探测、采矿、娱乐、竞技等 诸多行业，在军事、安全、生产、生活以及科学研究中扮演着越来越重要角色。 随着移动机器人应用领域的不断拓展，对移动性能的要求不断提高，各种混合式 移动机构相继问世。轮腿混合式移动机构继承了轮式和腿式移动的优点，既能够 保持较高的移动效率，又具有良好的通过性能，是传统混合式移动机构中研究较 多的一种，已经取得了大量研究成果。但是，分析现有轮腿混合式移动机构，其 结构仍然存在一些值得改进和完善的不足之处，例如为实现既定功能而增加的附 加装置、驱动器配置方式、特定运动模式下的机构冗余等，这些问题的存在不但 增加了结构设计难度，往往还会对机构动态性能造成一定影响，给控制系统设计 带来一定困难。本文提出一种新型复合式仿生轮腿机构，它独特的结构特征和运 动实现原理明显不同于现有轮腿混合式移动机构，避免和纠正了上述轮腿混合式 移动机构中的不足之处，对这种新型机构进行深入研究对于高性能移动平台的开 发具有一定的参考价值。 围绕本文提出的新型复合式仿生轮腿机构，开展了一系列的研究工作： 对所提出的轮腿机构进行了结构和功能实现原理分析，并针对混合式轮一腿机 构的不足，总结归纳了其结构特点。轮腿机构具有全新的结构特点和运动实现方 式，论文从其形成原理入手，从具有相似功能的常见机构的结构特点出发，分析 了它的结构特征及轮、腿、轮腿复合三种运动功能的实现过程，概括了其有别于 混合式轮腿机构的结构特点。 对仿生关节机构传动过程中接触力的时变特征进行了深入研究，得到了时变 刚度系数曲线。仿生关节是轮腿机构的主要结构和功能单元，受结构影响，关节 传动过程中轮齿间接触力具有时变特征。论文利用微分几何相关方法和定理，分 析了齿面的曲面特征，研究了单、双齿啮合区间变化规律，建立了反向啮合点位 置求解方程，基于h e r t z 静力接触理论得到了接触刚度系数的变化曲线，为机构的 动力学研究奠定基础。 对所提出的轮腿机构进行了运动学分析，给出了运动学正解和逆解方程。在 运动学分析中，定义了用于准确描述机构运动状态的三个关键参数和用于运动分 析的一个重要平面，即方位角、偏转角、偏转轴和偏摆平面，灵活运用连续变换 的余弦变换矩阵和一次有限转动的欧拉定理，充分利用机构的结构特点，建立了 机构在不同运动方式下的运动模型。 将牛顿欧拉法应用到轮腿机构动力学分析当中，建立了机构的动力学模型。 文中对车轮和地面之间的作用力对轮腿机构的作用效果进行了分析，对仿生关节 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 传动过程中接触力及其力臂的表达式进行了推导，对构件的运动姿态和惯性力、 惯性力矩进行了求解，分别应用牛顿和欧拉定理建立了构件的平衡方程。最后， 为满足实际需要，还研究了由模型计算所得驱动力向惯性系转换方法。 进行了轮腿机构的运动学和动力学虚拟样机试验，对机构功能实现的可行性 进行检验和评估，并将试验结果与理论模型仿真结果进行对比，从而对模型描述 机构运动和动力特征的可信度做出判断。论文研究了虚拟样机技术在轮腿机构上 的应用，并对试验内容、方法和过程进行了详细介绍。文中以样条曲线作为i m p a c t 函数的关键参数定义了虚拟样机中接触碰撞的力学行为，对关键构件的运动参数 和受力状况进行了分析，对接触力的变化规律进行了观测，结果表明轮腿机构能 够实现既定功能。通过将试验数据与理论计算结果比较可以发现两者误差很小， 说明本文所建立模型能够真实反映机构的运动特性。 设计了轮腿机构和多运动态轮腿移动平台物理样机，初步运动学试验表明轮 - 腿机构完全能够实现设计运动形式，基于该机构的移动平台能够实现直行、斜行、 原地转弯、跨步、小半径转弯等多种移动姿态，具有较好的移动性能和环境适应 能力。 主题词：复合式仿生关节轮腿机构运动学动力学时变刚度试验 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t m o b i l er o b o t sa r eb e i n gu s e dw i d e l yi ns u c hd i v e r s ea p p l i c a t i o n sa sr e c o n n a i s s a n c e o p e r a t i o n s ，r e s c u eo p e r a t i o n s ，e x p l o d e rr e m o v i n g ，p l a n e t a r ye x p l o r a t i o n s ，m i n i n g ， e n t e r t a i n m e n ti n d u s t r i e s ，s p o r t sc o m p e t i t i o ne t c ，a n dp l a ym o r ea n dm o r ei m p o r t a n t r o l e si nm i l i t a r ym i s s i o n ，s a f e t yg u a r d ，m a n u f a c t u r i n g ，d a i l yl i f eo fh u m a nb e i n g sa n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，a n ds oo n a l o n gw i t ht h ee n v i r o n m e n t sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e c o m p l e x t h el o c o m o t i o na b i l i t ym u s tb ei m p r o v e ds o 弱t om a k em o b i l er o b o t sh a v et h e a d a p t a b i l i t yt om a n e u v e ro nd i f f e r e n tt y p e so ft e r r a i n s a sar e s u l t ，t r e m e n d o u sh y b r i d l o c o m o t i o ns y s t e m sh a v eb e e np r e s e n t e di nt h ep a s td e c a d e s w h e e l l e d l e g g e dh y b r i d l o c o m o t i o nm e c h a n i s mi n h e r i t st h em e r i t so fb o t hl e g g e dm e c h a n i s ma n dw h e e l e d m e c h a n i s m ，a n dc a nm o v ew i t he x c e l l e n tl o c o m o t i v ee f ! f i c i e n c y ，w h i l em a i n t a i n i n g e x c e l l e n tl o c o m o t i o np e r f o r m a n c e c o n s e q u e n t l y 。m o r ea t t e n t i o ni sf o c u so ni t ，a n d l a r g ea m o u n t so fa c h i e v e m e n t sw i t hv e r s a t i l es t r u c t u r a lf o r m sh a v eb e e nc o m eu pw i t h h o w e v e r ，t h e r ea r es t i l lf e ws t r u c t u r a lh u r d l e si nt h e m ，a n dn e e dt ob ei m p r o v e do r o v e r c o m e d s u c ha st h es w i t c h i n gs y s t e mw h o s ef u n c t i o ni st oa l t e rt h el o c o m o t i o n m o d ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tt e r r a i n s ，t h ea r r a n g e m e n to ft h ea c t u a t o rw h i c hi su s u a l l y m o u n t e do ne v e r yj o i n ta n dd r i v ei td i r e c t l y ，t h ep h e n o m e n ao fr e d u n d a n tm e c h a n i s mi n s p e c i a ll o c o m o t i o nm o d e a n ds oo n m lo ft h e s en o to n l yi n c r e a s et h ed i 伍c u l t yi n s t r u c t u r a ld e s i g n ，b u ta l s og i v er i s et oah i g h e rp o s s i b i l i t yo fm a k i n gt h ed y n a m i c a l p e r f o r m a n c eo ft h eh y b r i dl o c o m o t i o nm e c h a n i s mw o r s e i nt h i sw o r k , an o v e lb i o n i c w h e e l l e d - l e g g e d - f u s e dm e c h a n i s mi sp r e s e n t e d ，w h i c h i s d i s t i n c t l yd i f f e r e n t i n s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fr e a l i z i n gt h el o c o m o t i o nm o d e s ，a n de l i m i n a t so rc o r r e c t st h e s h o r t c o m i n g si nt r a d i t i o n a lh y b r i dl o c o m o t i o nm e c h a n i s m sm e n t i o n e da b o v e a n i n - d e p t hs t u d yo nt h i sn e wm e c h a n i s mi s u s e f u lf o rt h ed e v e l o p m e n to fh i g h p e r f o r m a n c el o c o m o t i o nm e c h a n i s m as e r i e so fr e s e a r c h e sa r ec a r r i e do u to ni ta sf o l l o w s ： 硼1 es t r u c t u r a lp r i n c i p l ea n dt h el o c o m o t i o nc a p a b i l i t i e so ft h eb i o n i c w h e e l l e d 1 e g g e d f u s e dm e c h a n i s ma r ei n t r o d u c e d a l s o i t ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa r e s u m m a r i z e di na c c o r d 、析t ht h es h o r t c o m i n g se x i s t i n gi nt h ew h e e l l e d l e g g e dh y b r i d l o c o m o t i o nm e c h a n i s m s 1 1 1 cw h e e l l e d l e g g e d f u s e dm o b i l em e c h a n i s mh a sa l l i n n o v a t i v e s t r u c t u r ea n d咖e x e c u t e l e g g e d m o d e ， w h e e l l e d m o d e ， a n d w h e e l l e d l e g g e dm o d ea c c o r d i n gt ot h ee n v i r o n m e n t b a s e do ns e v e r a lc o n v e n t i o n a l m e c h a n i s m s 、) i r i ms i m i l a rf u n c t i o nt ot h en e wm e c h a n i s m ，t h ep a p e rp r e s e n t si t sf o r m i n g p r i n c i p l e ，t h e s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e p r i n c i p l eo fr e a l i z i n g t h et h r e e l o c o m o t i o nm o d e s a n ds u m m a r i z e st h e ma sac o n c l u s i o n 1 1 l et i m e - v a r i a b l ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em e s h i n gf o r c ei nt h eb i o n i cj o i n t t r a n s m i s s i o n 眦s t u d i e d a n dt h et i m e v a r i a b l e m e s h i n g s t i f f n e s sc o e f f i c i e n tc u r v e s 玳 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 o b t a i n e d mb i o n i ci o i n ti st h em a i nc o m p o n e n to ft h en e wm e c h a n i s mn o to n l yi n s t r u c t u r eb u ti nf u n c t i o n a f f e c t e db yt h es t r u c t u r a lf e a t u r e so ft h ei o i n t ，t h em e s h i n g f o r c ei n 也eb i o n i ci o i n tt r a n s m i s s i o ns h o w st i m e - v a r i a b l ec h a r a c t e r i s t i c s b a s e do nt h e e s s e n t i a lp r i n c i p l eo fd i f f e r e n t i a lg e o m e t r y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew o r k i n gf l a n k so f t h ei n v o l u t er i n gt o o t ha r ca n a l y z e d 1 1 1 ev a r i e t yb e t w e e ns i n g l e - t o o t h m e s h i n g s p a n a n dt w o t e e t h m e s h i n g - s p a na l t e r n a t i v e l yi nt r a n s m i s s i o ni ss t u d i e d ，n l ee q u a t i o n st o s o l v et h ep o s i t i o no ft h ei n v e r s em e s h i n gp o 血a r ed e d u c e d a n dt h e n ，b a s e do nt h e h e r t ze l a s t i cc o n t a c tt h e o r y ，t h ef o r m u l af o rt h ec a l c u l a t i o no ft h em e s h i n g s t i f f n e s si s g i v e na n dt h et i m e v a r i a b l e - m e s h i n g s t i f f n e s sc o e f j f i c i e n tc u r v e sa r ed r a w n w h i c hi s 1 1 l er e l a t e dk i n e m a t i c sa n a l y s i sf o rt h en e wm e c h a n i s mi sa c c o m p l i s h e d a n dt h e f o r w a r dk i n e m a t i c sa n di n v e r s ek i n e m a t i c se q u a t i o n sa r ed e r i v e d i nk i n e m a t i c sa n a l y s i s t h r e ek e yp a r a m e t e r sa n da ni m p o r t a n tp l a n ea r ed e f i n e d 1 1 1 et h r e ep a r a m e t e r s ，n a m e d a z i m u t ha n g l e ，d e f l e c t i o na n g l ea n dd e f l e c t i o na x i s ，r e s p e c t i v e l y ，a r eu s e dt od e s c r i b e t h es p a t i a lo r i e n t a t i o no ft h en e wm e c h a n i s m ，w h i l et h ep l a n e ，c a l l e dd e f l e c t i o np l a n e ，i s u s e dt oa n a l y z et h ei n s t a n t a n e o u sc o n f i g u r a t i o no ft h em e c h a n i s ma ta n y t i m eo ft h e w h o l ep r o c e s s t h e n , c o m b i n i n gt h es e q u e n t i a lc o s i n e st r a n s f o r m a t i o nm a t r i x 、析t ht h e e u l e r st h e o r e mo nr o t a t i o n , t h ek i n e m a t i c sm o d e l sa r ed e r i v e dc o r r e s p o n dt ot h r e e t y p e so fl o c o m o t i o nm o d e s 1 1 1 ed y n a m i c sm o d e lo ft h ew h e e l l e d l e g g e d - f u s e dm e c h a n i s mi ss e tu pu s i n gt h e n e w t o n - e u l e rf o r m u l a t i o n i nt h i ss e c t i o n , t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ng r o u n da n dt h e w h e e lm o u n t e do nt h eo u t p u ts h a f to ft h en e wm e c h a n i s mi sa n a l y z e df i r s t l y 1 1 l e l l t h e e x p r e s s i o nf o rd e t e r m i n e dt h em e s h i n gf o r c ev e c t o ra n dt h ea r mo ft h em e s h i n gf o r c e v e c t o ri sd e r i v e d a f t e rt h ei n e r t i af o r c ea n di n e r t i am o m e n to fe a c hc o m p o n e n ta r e c a l c u l a t e d ，t h ee q u i l i b r i u me q u a t i o n sf o re a c hb o d ya r ew r i t t e nb a s e do nt h e n e w t o n - e u l e rf o r m u l a t i o n i n o r d e rt om e e tt h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t ，t h e t r a n s f o r m a t i o nm e t h o do ft h ea c t u a t i n gf o r c ef r o mr e f e r e n c ef r d m et og r a v i t yf r a m ei s p r e s e n t e di nt h el a s t n ev i r t u a lp r o t o t y p eo ft h en e wm e c h a n i s mi se s t a b l i s h e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yf o r t h en e wm e c h a n i s mt or e a l i z et h ed e s i g nf u n c t i o n si se x a m i n e da n de v a l u a t e db a s e do n i t a l s o ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ee m p l o y e dt od e t e r m i n et h er e l i a b i l i t yo ft h e k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sm o d e l s ，b yc o m p a r i n gt h e m 、i t l lt h ec a l c u l a t i o n so ft h e m o d e l s i nt h i sp r o c e s s ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ev i r t u a lp r o t o t y p ei nt h ew h e e l l e g - f u s e d m e c h a n i s mi si n t r o d u c e di nd e t a i l s as p l i n ec u r v ei su s e dt od e f i n et h ec o n t a c tf o r c ei n e s t a b l i s h i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p e ，w h i c hi sak e yp a r a m e t e ri ni m p a c t - f u n c t i o n - b a s e d c o n t a c tf o r c ec a l c u l a t i o n si na d a m s i nt h ee x p e r i m e n t s e m p h a s i si sf o c u so nt h e m o t i o ns t a t eo fs e v e r a li m p o r t a n tc o m p o n e n t s ，a n di o a ds t a t eo ft h e mi s a n a l y z e d ， e s p e c i a l l y ，t h ec o n t a c tf o r c e sf r o mt h eg e a rp a i r sa r em e a s u r e d a l lo ft h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt 1 1 en e wm e c h a n i s mc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n ta n dh a v e 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 t h ec a p a b i l i t yo fe x e c u t i n gt h ew h e e l l e d m o d e ，l e g g e d - m o d ea n dw h e e l l e d l e g g e dm o d e r e s u l t so ft h ec o m p a r i s o nd r a w nb e t w e e nt h ee x p e d m e n t a lr e s u l t sa n dt h ec a l c u l a t i o n s o ft h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sm o d e l sv a l i d a t et h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e l s ap h y s i c a lp r o t o t y p eo ft h en e wm e c h a n i s mi se s t a b l i s h e d ，a n dm e a n w h i l e ，a q u a d r u p e dv e h i c l eb a s e do ni ti sa s s e m b l e d r e s u l t sf r o map r e l i m i n a r yk i n e m a t i c st e s t b a s e do nt h e mv e r i f i e st h a tt h em e c h a n i s md e s i g nm e e ti t sr e q u i r e m e n t sf o rt r a v e r s i n g 、 ，i t l lt h ew h e e l l e d m o d e ，l e g g e d m o d ea n dw h e e l l e d l e g g e dm o d e ，a n dt h ev e h i c l ec a l l r e a l i z em u l t i l o c o m o t i o n c o n f i g u r a t i o n s ，s u c ha ss t r a i g h tm o v e m e n t ，s i d em o v e m e n t ， t u m i n gi np l a c e ，w a l k i n g ，a n dt u r n i n gi ns m a l lr a d i u s ，a n ds oo n w h i c hm a k et h e v e h i c l eh a v eas t r o n gl o c o m o t i o np e r f o r m a n c ea n dab e t t e ra d a p t a b i l i t yo ne x t r e m e e n v i r o n m e n t s k e yw o r d s ：f u s e d b i o n i cj o i n t w h e e l l e d - l e g g e dm e c h a n i s m k i n e m a t i c s d y n a m i c st i m e - v a r i a b l e m e s h i n g s t i f f n e s st e s t 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1h t a n i 和h i t h y b t o r 5 图1 2w a l k ni b u 5 图1 3t a k a h a s h i 等设计的混合式移动平台6 图1 4w l - 1 6 及w s 2 轮式机构6 图1 5r o l l e r w a l k e r 移动轨迹及脚部姿态7 图1 6p a w ：7 图1 7 k y d o n a s 7 图1 8w h e e l e g ，8 图1 9c h a r i o t - i i 8 图2 1 新型复合式仿生轮腿机构1 5 图2 2由双十字万向节到仿生关节机构的演变1 6 图2 3 仿生关节机构1 7 图2 4 柔性传动机构18 图2 5 驱动机构三视图1 9 图2 6 驱动机构轴测图1 9 图2 7 新型复合式仿生轮腿机构实物照片2 l 图2 8 新型多运动态轮腿移动平台2 2 图2 9 新型多运动态轮腿移动平台移动形态2 3 图3 1 环形渐开面的形成2 4 图3 2 渐开面编码及l f ，的计算2 5 图3 3 环形渐开面任意点主曲率半径的几何意义2 7 图3 4 玎的计算2 8 图3 5 渐开线直齿轮啮合过程2 9 图3 6 反向啮合点位置分析3 4 图3 7 球齿轮模型及轮齿编码3 6 图3 8 沿甜曲线方向啮合时的刚度系数曲线3 6 图3 9 沿9 曲线方向啮合时的刚度系数曲线3 6 图4 1仿生关节机构坐标系定义4 0 图4 2 仿生关节在偏摆平面内的传动4 l 图4 3 绕任意轴的旋转变换4 2 图4 4 驱动机构坐标系定义4 7 图4 5 柔性传机构偏摆运动5 3 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 1 符号定义7 0 图5 2 地面对车轮的作用力8 3 图5 3 轮地接触点位置分析8 5 图5 4 仿生关节传动接触力及其力臂的确定。8 7 图5 5 输出轴受力分析8 9 图5 6 十字环3 受力分析8 9 图5 7 二级系杆受力分析9 0 图5 8 十字环2 受力分析9 l 图5 9 一级系杆受力分析9 1 图5 1 0 十字环l 受力分析9 2 图5 1 1 齿轮轴受力分析9 3 图5 1 2 控制环受力分析9 3 图5 1 3 推力环受力分析9 4 图6 1轮腿机构完整三维模型。9 9 图6 2 轮腿机构虚拟样机9 9 图6 3 惯性系内推力环和一级系杆的方位角a 和偏转角0 。1 0 1 图6 4 惯性系内二级系杆和输出轴的偏转角1 0 1 图6 5a d a m s 中系杆和输出轴的相对偏摆角1 0 1 图6 6a d a m s 中二级系杆和输出轴的惯性系方位角、偏摆角1 0 1 图6 7 一级系杆运动姿态理论计算和虚拟样机试验结果对比。1 0 2 图6 8 逆运动学直线电机驱动曲线j l 和s 2 1 0 3 图6 9 逆运动学实测一级系杆的方位角和偏摆角1 0 3 图6 1 0a d a m s 中s i 和观的跟踪测量1 0 4 图6 1 l 保姿自旋仿真时电机驱动曲线1 0 4 图6 1 2 保姿自旋一级系杆理论运动规律1 0 5 图6 1 3 保姿自旋一级系杆虚拟样机仿真结果1 0 5 图6 1 4 动力学虚拟样机试验电机驱动样条曲线1 0 6 图6 1 5 齿轮轴和球齿轮2 的接触力。1 0 6 图6 1 6 球齿轮3 和输出轴的接触力1 0 7 图6 1 7 一级系杆的轨迹跟踪1 0 7 图6 1 8 部分运动副约束力1 0 8 图6 1 9 多运动态轮腿移动平台虚拟样机越障试验。1 0 9 图6 2 0 轮腿机构姿态试验1 1l 图6 2 l多运动态轮腿移动平台的移动形态试验。1 11 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = = = i i = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 表目录 表4 1 偏摆轴刀方位分析表4 2 表6 1 轮腿机构球齿轮参数表。9 8 表6 2 轮腿机构几何参数表。9 8 表6 3 构件几何参数及质量特征。9 8 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：堑型复佥惑笾垒整二厘扭捡运型堂区塑应堂堡塞 学雠文储始j 鱼选一魄捌年朋夕日 | 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：堑型复佥惑堡垒辁二避扭抱运邈堂拯动应堂丛究 夕夕 口 移 年 年础删 期 期 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 1 1 课题的来源 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 课题“新型复合式仿生轮腿机构运动学及动力学研究”来源于国家自然科学 基金项目“具有轮腿复合功能的移动平台新机构研究”( 批准号：5 0 4 7 5 0 5 8 ) ，课 题的研究目标是提出一种具有复合功能的新型轮腿机构，其突出特点是要能够借 助一套机构具备两种功能，以实现轮和腿在结构和功能上的真正融合。在此基础 上对其运动学、动力学等关键技术进行深入研究，建立机构的运动学和动力学模 型，掌握其运动规律和动力特性，为控制系统的设计提供理论保障。 1 1 2 课题研究背景 1 1 2 1 移动平台及其应用 移动机器人( 或移动平台) 的研究开始于2 0 世纪6 0 年代后期n 1 ，伴随着8 0 年代 中期设计和制造机器人的浪潮席卷世界，许多国家有计划的开展了移动机器人技 术研究瞳1 。随着相关学科，尤其是传感技术、计算机技术、信息处理技术和人工智 能技术的飞速发展，移动机器人在功能和技术层面都得到迅速提高口1 ，诞生了一大 批代表性科研成果。目前，移动机器人已广泛应用于行星探测、森林防护、农业 生产、矿业开采、国防、辐射性或化学腐蚀性物品处理军事行动、消防救险、反 恐行动、清洁、管道维修、竞技娱乐等诸多行业h 叫引，在生产生活、科学研究、安 全保卫中扮演着越来越重要的角色。广阔的市场需求使移动机器人的发展获得了 源源不断的强大动力，也是与其相关的若干关键技术研究不断取得进步的根源所 在。 1 1 2 2 移动机构研究 移动技术被列为移动机器人研究的关键技术之一【i l 】。针对不同的应用领域、 不同的作业环境和任务操作需要，虽然各种移动机器人的结构形式大相径庭，“移 动”始终是它们共同的特征和基本的要求，于是，移动机构成为这类机器人必不 可少的组成部分。 移动机构决定了移动机器人的综合移动性能，包括是否能够顺利、平稳地越 障、避障，有限作业空间内的机动性、灵活性以及复杂地形下通过能力、抗倾覆 能力和自调整能力等，是移动机器人能够在工作环境下实现顺利、快捷、平稳、 精确移动的关键，可以说，移动机构对于移动机器人的作业能力和生存价值具有 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 直接的、决定性影响。 不同用途的移动机器人往往有不同的应用环境，自然也就有自身的移动性能 指标和要求，于是结构各异、功能不同的各种移动机构相继问世，从移动方式角 度传统上可划分为轮式、腿式和履带式三种n 2 1 6 1 。 轮式移动在自然界并不存在口 ，却是应用最为广泛的一种移动方式，到目前 为止已经开发出两轮n 8 1 、三轮2 卜矧、四轮舻矧，甚至五轮、六轮 3 7 1 、八轮 等多种结构形式。从移动效率和机构复杂程度两个方面来看，轮式无疑是三种方 式当中性能最突出的n 幻，具有结构简单、效率高、重量轻和易于控制的显著优点“射。 但是，轮式移动机构环境适应性较差，对地形特征要求较高。一般适用于地形相 对比较平坦，具有一定硬度，不易沉陷的地质环境。此外，受车轮和悬挂系统限 制，普遍越障性能不高o 近年来，随着各种各样的车辆底盘和新式悬挂系统的出 现，以及新外形车轮的问世洲，轮式移动系统的越障能力得到极大提高，车轮的 防沉陷性能也明显改善，越野能力大大加强m 1 。美国j p l 研发的r o c k y 系列行星 探测车使用的六轮摇臂悬架移动机构n 仉坨1 最具有代表性，机构采用无弹簧设计， 可被动式调整悬架构型，即使在崎岖路面也能保证车轮同时着地，具有较好的地 形适应能力和越障性能。基于该移动系统的漫游车“勇气号”( s p i r i t ) 和“机遇号” ( o p p o r t u n i t y ) 于2 0 0 4 年到达火星表面并工作至今。超期服役三年多的时间内，两 辆漫游车在火星恶劣的环境下成功穿越多种复杂地