非结构化环境中移动机器人系统越障运动机理的研究

论文摘要

非结构化环境中工作的移动机器人能够适应复杂地形，在深空（月球）探测、军事侦察和灾场搜救等方面具有广泛的用途。本文结合非结构化环境的地形特征，根据越障过程地面接触作用运动机理的不同，从系统层面上对移动机器人进行了分类，并分别对其障碍地形下的越障运动机理展开了深入的研究。 首先，本文以移动机器人自主感知未知环境的不同角度入手，对非结构化环境的地形进行了全局概貌特征和局部构形特征的提取，在环境全局概貌特征的描述上采用了随机过程统计方法的衡量指标，对环境局部构形特征则进行了几何聚类划分的描述；进而将特征描述和拓扑结构相结合，建立了一种有效的地形特征数据模型，能很好地对非结构化的地形环境进行表述。 在对非结构化环境进行特征建模后，本文根据适应地形运动机理的不同，将移动机器人系统分成了连续接触地面和离散接触地面的两类，分别进行了样机研制基础上的相关研究。在地面连续接触运动的移动机器人样机研制方面，本文介绍了一种课题组所研制的复合结构移动机器人的设计方案，并分析了该设计方案对典型地形特征的适应性。对于地面离散接触运动的移动机器人，本文选择了在复杂地形下具有较优行走性能的拟人步行方式作为代表，规划了适应于非结构化环境特点的两足机器人运动系统结构方案。 为了对地面连续接触越障的复合结构移动机器人的行为机理进行研究，本文运用D-H规则和Sheth-Uicker运动分析相结合的方法，在海拔垂直运动平面内建立了考虑地形障碍特征参数的复合结构移动机器人越障运动模型，分析了该机器人在越障过程中的复杂运动特性，并开展了障碍地形下的平稳越障运动规划研究，同时进行了数值仿真和虚拟样机仿真，说明了理论模型的正确有效，为控制复合结构移动机器人安全平稳地越障提供了理论基础，起到了指导作用。 在地面离散接触运动的两足移动机器人方面，本文根据非结构化地形的特点，在观察了解人类行走特征的基础上，从仿生运动角度提出了拟人的越障步态参数，采用Bezier方法研究了单一地形障碍下两足机器人自适应越障的步态规划问题，进而针对起伏多变的地形环境建立了基于BSpline原理的两足机器人仿生越障步行模式，并为保证连续平稳越障步行进行了运动特性的规划。通过仿真

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 移动机器人研究问题的由来
• 1.2 非结构化环境下移动机器人的分类
• 1.3 非结构化环境移动机器人研究领域概述
• 1.4 非结构化环境移动机器人的发展现状
• 1.4.1 地面连续接触类型移动机器人研究综述
• 1.4.2 地面离散接触类型移动机器人研究综述
• 1.5 课题选题背景和研究意义
• 1.6 论文的主要研究内容及结构
• 第二章 非结构化环境地形特征问题的研究
• 2.1 引言
• 2.2 非结构化环境的感知及其地形全局概貌描述
• 2.2.1 非结构化环境的感知
• 2.2.2 非结构化环境全局地貌概况描述
• 2.3 局部地形特征的聚类划分
• 2.3.1 局部地形环境的感知与重构
• 2.3.2 地形障碍特征的聚类划分
• 2.4 地形特征数据模型的构建
• 2.5 本章小结
• 第三章 非结构化环境中移动机器人系统的分类及其设计方案研究
• 3.1 引言
• 3.2 移动机器人运动方式特性分析与系统分类
• 3.2.1 机器人移动方式的地形运动特性分析
• 3.2.2 基于越障概念的移动机器人系统分类
• 3.3 地面连续接触类型的复合结构越障机器人创新方案设计
• 3.3.1 国内外典型越障机器人的虚拟样机性能分析
• 3.3.2 复合结构越障机器人的创新方案设计
• 3.3.3 复合结构越障机器人地形适应性分析
• 3.4 地面离散接触类型的步行越障机器人结构规划
• 3.5 本章小结
• 第四章 连续接触地面的复合结构移动机器人越障运动建模分析
• 4.1 引言
• 4.2 多刚体系统空间运动分析的 Denavit-Hartenberg规则
• 4.3 非完整约束高副运动求解的 Sheth-Uicker方法
• 4.4 非结构化环境中复合结构移动机器人的运动建模
• 4.4.1 复合结构移动机器人空间三维运动的平面分解
• 4.4.2 复合结构移动机器人海拔平面的越障运动分析
• 4.4.3 越障运动模型坐标系的构建
• 4.4.4 海拔平面的机器人越障运动建模
• 4.5 复合结构移动机器人的越障运动规划
• 4.5.1 复合结构移动机器人越障运动的逆向求解
• 4.5.2 基于理论模型的越障运动仿真
• 4.5.3 基于虚拟样机建模的越障过程仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 离散接触地面的两足移动机器人越障步行模式研究
• 5.1 引言
• 5.2 两足机器人步行越障运动过程分析
• 5.2.1 越障步行运动的规划
• 5.2.2 步态轨迹和关节运动角度之间的关系
• 5.2.3 拟人越障运动步态参数的提出
• 5.3 单一障碍条件下自适应越障步态规划的 Bezier建模分析
• 5.3.1 Bezier建模方法与机器人越障步态规划的相关性
• 5.3.2 两足机器人自适应越障步态的Bezier建模
• 5.3.3 避免冲击的运动规律生成
• 5.3.4 自适应越障步态仿真研究
• 5.4 起伏多变地形下基于BSpline原理的拟人越障步行模式构建
• 5.4.1 BSpline建模的原理及特性描述
• 5.4.2 两足机器人仿生越障步行模式的BSpline参数化设计
• 5.4.3 连续平稳步行要求的时域规划
• 5.4.4 数值算例及仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间科研成果所获奖励
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 致谢