【摘 要】
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狭小有障碍空间广泛存在于资源勘探、抢险救灾、军事侦察和航空航天等领域的任务场景中,限制了人员的进入,增加了作业难度和成本。为节省人力和提高工作效率,研制狭小空间作业机器人具有重要意义。在移动机器人中,足式机器人具有运动灵活的优势,研究者们通常采用缩小足式机器人尺寸的方法以适应狭小空间,但是尺寸的缩小减弱了机器人的运动能力和负载能力,难以满足作业的需要。自然界中,常见的四足爬行动物如壁虎、蜥蜴、蝾螈
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狭小有障碍空间广泛存在于资源勘探、抢险救灾、军事侦察和航空航天等领域的任务场景中,限制了人员的进入,增加了作业难度和成本。为节省人力和提高工作效率,研制狭小空间作业机器人具有重要意义。在移动机器人中,足式机器人具有运动灵活的优势,研究者们通常采用缩小足式机器人尺寸的方法以适应狭小空间,但是尺寸的缩小减弱了机器人的运动能力和负载能力,难以满足作业的需要。自然界中,常见的四足爬行动物如壁虎、蜥蜴、蝾螈等能够调整身体姿态,在狭小空间和崎岖地形灵活运动。本文模仿大壁虎运动模式,基于一款匍匐四足机器人平台研究机器人在狭小有障碍空间内的运动方法。本文的主要工作包括:(1)针对现有的匍匐四足机器人机构,设计了高性能的机器人控制系统,满足运动控制的实时性要求。通过运动学分析方法推导机器人运动学的正解、逆解和雅可比矩阵。研究匍匐四足机器人的爬行步态规划方法,以稳定性为目标设计机器人的迈步顺序、步态周期。分析两种足端轨迹规划方法,为机器人设计合适的足端轨迹曲线,通过Matlab仿真分析验证了有效性。(2)研究匍匐四足机器人在平坦地形的全向运动能力,使用爬行步态进行全向运动规划。为灵活地切换机器人运动状态,提出不同运动模式中机器人在步态周期的初始和结束状态保持标准姿态,据此规划了前向、横向和转向运动的步态周期过程。针对机器人的运动稳定性,结合纵向稳定裕度方法和静态稳定区域方法,提出了一种匍匐四足机器人的静态稳定性算法,用于指导机器人的重心轨迹规划。最后实现了机器人的全向稳定运动,验证了静态稳定性算法的可行性。(3)分析了大壁虎在宽度受限空间和高度受限空间内的运动策略,提出匍匐四足机器人在狭小空间内的运动策略。基于机器人的关节空间范围,分别针对空间宽度和高度的约束规划机器人的步态参数,并计算机器人能通过的空间边界宽度和边界高度。针对狭小空间有障碍场景,提出了机器人的避障策略。通过仿真平台检验机器人在狭小空间的运动过程,搭建狭小空间环境进行了样机实验,验证了狭小有障碍空间运动策略的可行性。
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