仿生六足机器人复杂地面力学分析与控制系统研究

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汽车能够在公路上飞驰电掣,火车可以在铁路上呼啸而过。但它们只能在相对平整的路面上行驶。在像沙漠、地质灾害和战争造成的废墟等环境下,当前的汽车等车辆却常常深陷其中,无法脱身。然而,自然界中的蜥蜴等爬行动物在这类特殊环境下具有优良的行进能力,能够行走自如。参照这类生物的运动机制,研制开发针对特殊环境通过性优良的仿生机器人,显然具有十分重要的意义。本文首先分析了仿生六足机器人驱动足与软、硬地面的地面力学,包括建立机器人软地面步态和硬地面步态的数学模型,分别对驱动足与沙漠作用的力学特性、驱动足与硬地面作用的力学特性进行分析,接着在此基础上计算了机器人驱动足所需的扭矩、功率,为仿生六足机器人选配电机提供理论依据。其次,按照模块化的设计思想,设计由微处理器模块、电机驱动模块,测位模块,以及电源模块组成的控制系统的硬件结构。再次,根据自顶向下和模块化的设计思想,设计了整个软件系统,包括通讯模块、辅助模块、操纵模块等,并用VB编程语言编写了机器人的控制面板,用来控制机器人实现相应的动作。最后,将微处理模块、驱动模块等集成到机器人内,进行机器人运动实验分析,包括在光滑的地面上测量机器人在行走过程中所产生的误差,以此来确定机器人的行走误差;令机器人以软地面步态在软地面上行走,探寻其极限速度;同样的,令机器人步态更换为硬地面步态,在硬地面上行走,探寻其极限速度;进行实地转向实验,检查转向的有效性,并且测量机器人转不同角度所需时间。根据最后实验结果,本仿生六足机器人在软地面上最快速度能达到220mm/s,在硬地面上最快速度能达到251mm/s,特别是机器人在软地面(沙漠)上运行时,车身很难下陷,具有很强的通过性。因此,本机器人对面向复杂地面的,特别是软地面(沙漠)行走机器人与车辆的研究开发有一定的参考意义。
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