轮足复合移动机器人运动规划发展现状及关键技术分析

地面移动机器人已经在资源勘探和灾难救援等多领域得到广泛应用,轮足复合机器人能够结合轮式运动速度快、平稳性高和足式运动的高越障性能等多方面优势,在理论创新和工程技术方面均有重要的研究价值.对近年来国内外轮足复合机器人的机械结构进行分析和比较,将轮足机构复合方式分为4类进行列举和总结.针对多模态运动的优势展开分析,列举轮足复合机器人主要采用的运动建模、规划和控制策略,不仅涉及单独的足式运动和轮式运动,同时涉及足端越障、变构型避障、轨迹规划的轮足复合运动.最后对运动规划关键技术进行总结和展望,指出轮足复合移动机器人后续的发展方向、研究思路和所面临的挑战.     

一种基于并联6自由度结构的电动轮足机器人

针对现有基于串联式机械腿结构的四足机器人无法同时满足承载能力大、环境适应性强、运动速度快等要求的问题,提出了一种基于并联6自由度结构的电动轮足机器人结构原理,集成了轮式运动和足式运动各自的优势.在对机器人并联式轮腿进行运动学和动力学分析基础上,建立了单腿动力学模型和机器人整体运动学模型,提出了机器人机身姿态调整算法,有效提高了机器人运动过程中姿态的平稳性.仿真与实验验证了所提出的轮足复合式机器人的可行性和轮式运动时机器人机身姿态调整策略的有效性.     

煤矿救援机器人结构设计及分析

针对矿井地貌环境的非结构性和复杂性,为了提高救灾机器人的越障能力和实际救援能力,分析了轮式救援机器人行走系统的力学系统原理,提出了机器人六轮行走机构的设计方案。六轮移动机器人采用电动推杆为升降系统提供动力;采用独立悬挂系统,减小了车身的倾斜和震动;采用集中控制-分布驱动方式,有利于运动机构性能的发挥;能够根据地形特征调整自己的底座结构,有很强的越障能力和对非结构化地形的适应能力。     

煤矿救援机器人结构设计及分析

针对矿井地貌环境的非结构性和复杂性,为了提高救灾机器人的越障能力和实际救援能力,分析了轮式救援机器人行走系统的力学系统原理,提出了机器人六轮行走机构的设计方案。六轮移动机器人采用电动推杆为升降系统提供动力;采用独立悬挂系统,减小了车身的倾斜和震动;采用集中控制-分布驱动方式,有利于运动机构性能的发挥;能够根据地形特征调整自己的底座结构,有很强的越障能力和对非结构化地形的适应能力。     

全地形移动机器人轮－地几何接触角估计

研究全地形移动机器人在不平坦地形中轮－地几何接触角的实时估计问题. 本文以带有被动柔顺机构的六轮全地形移动机器人为对象, 抛弃轮－地接触点位于车轮支撑臂延长线上这一假设, 通过定义轮－地几何接触角 δ 来反映轮－地接触点在轮缘上位置的变化和地形不平坦给机器人运动带来的影响, 将机器人看成是一个串－并联多刚体系统, 基于速度闭链理论建立考虑地形不平坦和车轮滑移的机器人运动学模型, 并针对轮－地几何接触角 δ 难以直接测量的问题, 提出一种基于模型的卡尔曼滤波实时估计方法. 利用卡尔曼滤波对机器人内部传感器的测量值进行噪声处理, 基于机器人整体运动学模型对各个轮－地几何接触角进行实时估计, 物理实验数据的处理结果验证了本文方法的有效性, 从而为机器人运动学的精确计算和高质量的导航控制奠定了基础.     

轮腿式微型机器人系统研究

轮腿复合式机器人是在轮式机器人的基础上,通过优化轮子设计以达到快速灵活运动的一种新型的地面移动系统。该机器人主体由机架、两条主轴、齿轮减速机构、轮腿复合机构组成,由单电机驱动,控制系统相对简单。该机器人相比于普通轮式机器人具有较强的越障能力,且结构精简、体积小、重量轻。采用ADAMS对该机器人进行了运动学和动力学仿真,详细探讨了其越障能力、安装相位、轮腿结构、步态等关键问题,为其物理样机的设计、优化和控制提供了理论依据。     

地形自适应救援机器人设计

为实现机器人在复杂环境中快速灵活的运动要求,该文设计了一种轮履复合式快速移动机器人,并针对其3种不同运动模式进行分析.利用智能辅助控制策略,机器人运行中可根据地形不同而采取不同的运动模式,简化了操作难度.机器人采用基于ADXRS610的角度测量单元,STM32F103单片机实时处理角度变化情况来不断监测机器人姿态,在复杂地形中通过调整机器人结构使机器人保持最佳驱动状态.通过不断地调试,最终实现机器人地形自适应的要求,具有运动灵活、操作简单、越障能力强、功耗低的特点.     

基于运动描述语言的轮式移动机器人控制

介绍了一种基于运动描述语言的轮式移动机器人控制方法．运动描述语言不仅可以有效地描述机器人系统中离散和连续动力学过程的相互作用,而且可以定量地描述操纵机器人的复杂性．利用该方法对具有非完整约束的轮式移动机器人的位姿镇定问题进行了研究,仿真结果验证了该方法的有效性．     

在球面运行的万向轮式移动机器人运动学模型的建立

爬壁机器人技术的不断发展,使研制可以吸附在大 型球面工作的轮式移动机器人成为可能．本文采用坐标变换方法,针对工作在球面的万向轮 式移动机器人建立运动学模型．其建模方法对于其它类型的在球面工作的轮式移动机器人也 同样适用．     

月球探测(车)机器人技术的发展与展望

简述当前国内外探月研究进展及月球探测(车)机器人研究发展情况.基于月球的复杂环境特征,对比轮式运动与步行式运动月球探测(车)机器人的优势与缺陷,重点介绍了一种新型六轮腿式月球探测机器人方案.该方案具有高机动性,越障能力强,容错性好等特点,对该方案主要技术性能、本体结构、运动系统、轮腿切换机构工作原理等关键技术进行了探讨.     

A Wheel-legged Robot with Active Waist Joint: Design,Analysis, and Experimental Results

This paper presents a wheel-legged robot that features an active waist joint. The proposed wheel-legged robot is composed of a front module, a rear module, and an active waist joint. The proposed robot can perform rectilinear motion and turning motion in both wheeled and legged modes. The active waist joint module is added to make the robot pass through the curved narrow channel. Several experiments have been done to evaluate the performance of the proposed wheel-legged robot. The maximum velocities of the proposed robot in wheeled and legged modes are 17.2 and 10.4 m/min respectively. And the average corresponding deflection rates of the proposed robot in wheeled and legged modes are 3.1 and 3.7 % respectively. The mobility efficiencies of the robot in wheeled and legged modes are up to 96.3 and 94.3 % respectively. Compared with the proposed robot in legged mode, the performance in the turning motion with the active waist joint is better when the proposed robot is in wheeled mode. Two approaches of climbing obstacles are proposed for the proposed robot in legged mode. The wheel-legged robot can climb an obstacle with maximum height of 10 cm.     

具有悬挂系统的轮腿式机器人设计与分析

设计了一种具有独立悬挂系统和足端缓冲机构的六足轮腿式机器人.该机器人结合了轮式机器人和腿式机器人的优点,同时将汽车的独立悬挂系统的设计思想应用在机器人上,降低了不平整地面对机器人的冲击,并减轻了由此引起的振动,保证了机器人在不同的复杂环境下机身内部环境的稳定.本文对该机器人的机构与结构进行阐述,建立了其运动学模型以及其悬挂系统机构和足端缓冲机构的单自由度振动模型,并对其缓冲机理进行分析对比.通过ADAMS仿真软件在不同地形环境下对其进行动力学仿真分析,验证了在机器人的运动过程中,与足端缓冲机构相比,悬挂系统的缓冲减震效果受地形影响较小,且悬挂系统和足端缓冲机构相结合会比单一缓冲机构具有更好的缓冲减震作用.     

Stability Analysis of a Wheel-Track-Leg Hybrid Mobile Robot

This paper proposes a new wheel-track-leg hybrid robot. The hybrid robot comprises a robot body, four driving mechanisms, four independent track devices, two supporting legs and one wheel lifting mechanism, which can fully benefit different advantages from wheeled, tracked and legged robots to adapt itself to varied landforms (the rough terrain and high obstacle). Based on the symmetrical mechanical structure, locomotion modes of the mobile robot are analyzed. With the coordinate transformation matrix, the center of mass of the robot is described. Moreover, the stability pyramid method is used to analyze on the climbing motion, especially in the hybrid locomotion mode. Through theoretical analysis, simulation and experimental verification, it’s proven that the robot can remain stable in the process of climbing motion.     

A model-based fault diagnosis scheme for wheeled mobile robots

In this paper, a fault diagnosis scheme for wheeled mobile robots is presented. In the fault detection module, a nonlinear observer is designed based on the mobile robot dynamic model. A fault is detected when at least one of the residuals exceeds its corresponding threshold. After the fault is detected, the fault isolation module is activated to isolate three types of fault: right wheel fault, left wheel fault, and other changing dynamic parameter faults. Three simulation examples are performed to show the effect of each fault to the tracking performance of mobile robot in a real situation. The simulation results demonstrate the effectiveness of our proposed approach for fault detection and isolation in wheeled mobile robots.     

轮腿式机器人倾覆稳定性分析与控制

对于运动在不平坦地形中的移动机器人而言,其倾覆稳定性非常关键．设计了一种结构对称的轮腿式机器人,它有4个独立的轮腿运动单元,能够变化多种构形．采用动态能量稳定锥方法和倾覆稳定性指数对机器人的稳定性进行综合评价,建立了一个模糊神经网络自适应控制系统．根据稳定性指数值,该系统可以实时改变机器人的构形和速度,保证其倾覆稳定性．正弦路面上的仿真结果表明,该系统所产生的动作实时性好、可靠性高,能够降低机器人自主越障过程中的危险．     

Kinematic modeling of wheeled mobile robots

We formulate the kinematic equations of motion of wheeled mobile robots incorporating conventional, omnidirectional, and ball wheels.¹ We extend the kinematic modeling of stationary manipulators to accommodate such special characteristics of wheeled mobile robots as multiple closed-link chains, higher-pair contact points between a wheel and a surface, and unactuated and unsensed wheel degrees of freedom. We apply the Sheth-Uicker convention to assign coordinate axes and develop a matrix coordinate transformation algebra to derive the equations of motion. We introduce a wheel Jacobian matrix to relate the motions of each wheel to the motions of the robot. We then combine the individual wheel equations to obtain the composite robot equation of motion. We interpret the properties of the composite robot equation to characterize the mobility of a wheeled mobile robot according to a mobility characterization tree. Similarly, we apply actuation and sensing characterization trees to delineate the robot motions producible by the wheel actuators and discernible by the wheel sensors, respectively. We calculate the sensed forward and actuated inverse solutions and interpret the physical conditions which guarantee their existence. To illustrate the development, we formulate and interpret the kinematic equations of motion of Uranus, a wheeled mobile robot being constructed in the CMU Mobile Robot Laboratory.     

小型两栖仿龟机器人多模式运动研究

针对浅滩环境和水下狭窄空间的科研考察、资源勘探等任务,提出一种“腿－多矢量喷水”复合驱动的小型两栖仿龟机器人。通过研究“腿－多矢量喷水”复合式驱动系统的运动机理,设计仿生爬行步态和旋转步态。根据“腿－多矢量喷水”复合驱动机构的变结构特性,提出“H”、“工”和“X”等多模式运动。通过机器人水中运动学建模,建立基于实时动态推力矢量分配优化机制的水中3维自主运动控制方法。最后搭建机器人原型机,陆地上的多地形运动实验验证了机器人在非结构化浅滩环境中的适应能力强,水中运动控制实验验证了两栖机器人多模式运动控制的灵活性和可行性。     

滑动与打滑条件下的轮式移动机器人自抗扰跟踪控制

针对具有未知的滑动与打滑的轮式移动机器人(WMR),提出了一种基于自抗扰思想的跟踪控制策略.首先建立了滑动与打滑条件下的轮式移动机器人动力学模型.其次,由反步法设计运动学控制器,基于模型设计线性扩张观测器和动力学控制器,并给出了控制器稳定性分析.最后与积分滑模控制进行了仿真对比,结果表明该控制方法的误差收敛速度更快.观测器能够精确估计滑动与打滑及动力学不确定性对机器人的扰动,提高了轮式移动机器人轨迹跟踪的鲁棒性.     

Control of wheel system under uncertainty

Consideration was given to the nonholonomic mechanical systems with rolling or the wheel systems such as mobile robot, car, or wheeled tractor. Analysis was confined to the kinematic models with regard for the dynamics of the controlling drives. Control of system motion along a given trajectory (planar smooth curve) was studied. The designed control law stabilizes this motion in large in the basic variables. The main result lies in solution of the problem of control under uncertainty when only sufficiently general dynamic characteristics of the wheel system drive are known.