將移動機(jī)器人這一高性能自動化平臺引入林業(yè)監(jiān)測可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)作業(yè)方式在精確度、實時性和效率方面的缺陷。面向林區(qū)巡航監(jiān)測的輪腿復(fù)合式移動平臺結(jié)合了輪式和腿式運動模式的高速高效及通過性能,在林地復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下開展近距離目標(biāo)監(jiān)測和巡航時具有良好的機(jī)動性和通過性。通過分析國內(nèi)外現(xiàn)有復(fù)合式移動平臺的結(jié)構(gòu)特點并結(jié)合林區(qū)實際環(huán)境的需求,針對現(xiàn)有移動平臺在林區(qū)環(huán)境下越障性能不佳等問題,本文設(shè)計了一種新型輪腿復(fù)合式移動平臺。該平臺采用推桿電機(jī)對復(fù)合輪腿的四邊形結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動,對傳統(tǒng)林用移動平臺在越障性與穩(wěn)定性方面的不足進(jìn)行了改進(jìn)。本文針對新型林用輪腿式復(fù)合移動平臺開展研究,所完成的主要工作如下:1.設(shè)計了一種面向林業(yè)特種需求的輪腿復(fù)合式監(jiān)測平臺。首先對林區(qū)環(huán)境進(jìn)行分析并將主要的地形因素進(jìn)行合理評估,確定平臺腿數(shù)及自由度、腿部機(jī)構(gòu)方案、輪腿復(fù)合方案、驅(qū)動方式、運動模式及具體機(jī)構(gòu)設(shè)計等。為了應(yīng)對倒木、斜坡、亂石、涉水等多種林區(qū)復(fù)雜地形,采用推桿電機(jī)控制的開鏈關(guān)節(jié)連桿作為腿部設(shè)計方案以保證非結(jié)構(gòu)化地形下的越障性能。采用建模軟件Inventor完成了所設(shè)計平臺各機(jī)構(gòu)的三維建模及整機(jī)裝配。2.推導(dǎo)了輪腿結(jié)構(gòu)的正向運動學(xué)。依據(jù)D-H矩陣?yán)碚摻⒘藛瓮葯C(jī)構(gòu)的正運動學(xué)方程,對選定關(guān)節(jié)角下末端輪體的位姿進(jìn)行理論計算并在Matlab Robotics Toolbox中進(jìn)行仿真,驗證了運動學(xué)推導(dǎo)的準(zhǔn)確性。然后基于蒙特卡羅法對所設(shè)計移動平臺的有效包絡(luò)域空間進(jìn)行仿真分析,對輪腿機(jī)構(gòu)的運動空間包絡(luò)域進(jìn)行求解以驗證相關(guān)參數(shù)選取及機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性。接著對整機(jī)平臺、髖部、踝部及車輪等處關(guān)節(jié)角的理論速度進(jìn)行推導(dǎo)。3.開展了復(fù)合移動平臺的仿真分析。使用有限元分析軟件ABAQUS軟件對所設(shè)計的輪腿機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析,選擇輪腿機(jī)構(gòu)在越溝時出現(xiàn)跌落這一極限工況作為其危險工況以校核其強(qiáng)度剛度;對所設(shè)計機(jī)構(gòu)在四種運動模式下進(jìn)行運動仿真,根據(jù)所得實驗曲線對其穩(wěn)定性及運行進(jìn)行評估。最后根據(jù)野外林區(qū)實際應(yīng)用需求對其控制系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計以保證其在實際使用環(huán)境下的工作性能。該新型復(fù)合式輪腿機(jī)器人可以實現(xiàn)輪式行進(jìn)、足式跨越和輪足復(fù)合式運動等多種運動功能,同時還可以根據(jù)實際工況改變輪距、軸距和機(jī)身高度從而實現(xiàn)全方位行駛。該機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、越障能力好,能夠在林地的復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化地形下開展作業(yè)并保持機(jī)身水平穩(wěn)定,對林用無人平臺的移動平臺開發(fā)具有一定參考價值。
【學(xué)位單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S776;TP242
【部分圖文】：

逡逑圖１．２邋Ｓｗａｇｂｏｔ全地形移動農(nóng)林機(jī)器人逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｓｗａｇｂｏｔ邋ａｌｌ－ｔｅｒｒａｉｎ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋ｆｏｒ邋ａｇｒｏ－ｆｏｒｅｓｔｒｙ逡逑腿式或足式移動機(jī)器人是一種結(jié)構(gòu)控制較為復(fù)雜的平臺，其腿足機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)間逡逑歇交替運動。腿式機(jī)器人的移動方式使其具有良好的越障性能和環(huán)境適應(yīng)能力，是理逡逑想的越野作業(yè)方案之一。典型的腿式機(jī)器人包括波士頓動力公司（Ｂｏｓｔｏｎ邋Ｄｙｎａｍｉｃｓ）逡逑的“大狗”高性能野外機(jī)器人（圖１．３邋ａ）、Ｄａｎｔｅｌｌ邋（圖１．３邋ｂ）及ＡＮＹｍａＫＨｕｔｔｅｒＭ、逡逑Ｇｅｈｒｉｎｇ邋Ｃ邋等，２０１７）等。逡逑．Ｔ邐ｏｆ邋ｍｏｔｉｏｎ逡逑（ａ）邋“大狗”機(jī)器人平臺邋（ｈ）邋Ｄａｎｔｅ移動平臺逡逑（ａ）邋Ｂｉｇｄｏｇ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋（ｂ）邋Ｄａｎｔｅ邋ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ逡逑圖１．３腿式（足式）機(jī)器人逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋ｅｘａｍｐｌｅｓ邋ｏｆ邋ｌｅｇｇｅｄ邋ｒｏｂｏｔ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑履帶式機(jī)器人裝載有類似坦克和裝甲車的履帶結(jié)構(gòu)，可以在一定＋甲度的地面上逡逑移動，同時具有跨越障礙物的能力。其穩(wěn)定性較強(qiáng)且動載荷較小，適用ｆ林民等多種逡逑復(fù)雜崎嶇路面條件。面向林丨Ｘ；巡護(hù)丨ｉ的的小型履帶式移動機(jī)器人將林川巡防功能進(jìn)行逡逑結(jié)合，可解決林區(qū)信息監(jiān)測的實時性差等問題（吉洋，２０１３）。逡逑Ｉ．邋２．邋２復(fù)合運動模式移動機(jī)器人逡逑應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)化地形條件Ｆ的高性能移動機(jī)器人需要綜合考慮地形條件對平臺逡逑性能的影響（宋小康、談大龍等，２００Ｈ）。除上述傳統(tǒng)移動機(jī)器人外，近年來結(jié)合了多逡逑種機(jī)構(gòu)的復(fù)合式移動機(jī)器人成為研究重點。在單－移動模式的基礎(chǔ)丨：

歇交替運動。腿式機(jī)器人的移動方式使其具有良好的越障性能和環(huán)境適應(yīng)能力，是理逡逑想的越野作業(yè)方案之一。典型的腿式機(jī)器人包括波士頓動力公司（Ｂｏｓｔｏｎ邋Ｄｙｎａｍｉｃｓ）逡逑的“大狗”高性能野外機(jī)器人（圖１．３邋ａ）、Ｄａｎｔｅｌｌ邋（圖１．３邋ｂ）及ＡＮＹｍａＫＨｕｔｔｅｒＭ、逡逑Ｇｅｈｒｉｎｇ邋Ｃ邋等，２０１７）等。逡逑．Ｔ邐ｏｆ邋ｍｏｔｉｏｎ逡逑（ａ）邋“大狗”機(jī)器人平臺邋（ｈ）邋Ｄａｎｔｅ移動平臺逡逑（ａ）邋Ｂｉｇｄｏｇ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋（ｂ）邋Ｄａｎｔｅ邋ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ逡逑圖１．３腿式（足式）機(jī)器人逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋ｅｘａｍｐｌｅｓ邋ｏｆ邋ｌｅｇｇｅｄ邋ｒｏｂｏｔ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑履帶式機(jī)器人裝載有類似坦克和裝甲車的履帶結(jié)構(gòu)，可以在一定＋甲度的地面上逡逑移動，同時具有跨越障礙物的能力。其穩(wěn)定性較強(qiáng)且動載荷較小，適用ｆ林民等多種逡逑復(fù)雜崎嶇路面條件。面向林丨Ｘ；巡護(hù)丨ｉ的的小型履帶式移動機(jī)器人將林川巡防功能進(jìn)行逡逑結(jié)合，可解決林區(qū)信息監(jiān)測的實時性差等問題（吉洋，２０１３）。逡逑Ｉ．邋２．邋２復(fù)合運動模式移動機(jī)器人逡逑應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)化地形條件Ｆ的高性能移動機(jī)器人需要綜合考慮地形條件對平臺逡逑性能的影響（宋小康、談大龍等，２００Ｈ）。除上述傳統(tǒng)移動機(jī)器人外，近年來結(jié)合了多逡逑種機(jī)構(gòu)的復(fù)合式移動機(jī)器人成為研究重點。在單－移動模式的基礎(chǔ)丨：，輪腿式復(fù)合機(jī)逡逑３逡逑

逑構(gòu)作為一種全方位運動系統(tǒng)應(yīng)運而生。復(fù)合式移動機(jī)器人克服了單一模式的不足并綜逡逑合了各獨立平臺的優(yōu)勢。主要的復(fù)合方式總結(jié)如下圖所示（圖１．４）。逡逑／邋腿式機(jī)器人＼逡逑＼復(fù)合式ｙ邐１邋ｉ逡逑＾履帶式機(jī)器人ｊ￣￣輪式機(jī)器人ｊ逡逑圖１．４復(fù)合式運動機(jī)器人類別逡逑Ｆｉｇ邋１．４邋ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ邋ｏｆ邋ｈｙｂｒｉｄ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑有關(guān)輪腿式復(fù)合機(jī)器人平臺早期的研究重點為被動式懸架系統(tǒng)，該種被動式機(jī)構(gòu)逡逑具有一定的自由度但無驅(qū)動裝置，行駛效率較高且可以實現(xiàn)底盤隨地形的變化而變逡逑化，由于其結(jié)構(gòu)簡單被廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)領(lǐng)域。著名的研宄成果包括前蘇聯(lián)的逡逑Ｌｕｎａｋｈｏｄ－ｌ移動平臺、美國ＪＰＬ的Ｂｌｕｅｒｏｖｅｒ及Ｒｏｃｋｙ７機(jī)器人、前蘇聯(lián)Ｍａｒｓｏｋｈｏｄ機(jī)器逡逑人平臺（Ｊｏｈｎｓｏｎ邋Ｊ邋Ｒ、Ｒｕｆｆ邋ＳＷ邋等，２００１）、瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院（ＥＰＦＬ）的邋Ｓｈｒｉｍｐ（邋Ｌａｍｏｎ逡逑Ｐ、Ｋｒｅｂｓ邋Ａ等，２０１４）等。除被動式懸架類機(jī)械平臺外，包括主動重構(gòu)式結(jié)構(gòu)在內(nèi)的逡逑輪腿式機(jī)器人可以更加靈活地實現(xiàn)多種運動模式及越障功能。其典型案例包括加州理逡逑工大學(xué)的ＡＴＨＬＥＴＥ機(jī)器人頂目、ＵＰＭＣ的Ｈｙｌｏｓ機(jī)器人項目（Ｊａｒｒａｕｌｔ邋Ｐ、Ｇｒａｎｄ邋Ｃ等，逡逑２０１５）、Ｌｅｇ邋Ｖａｎ機(jī)器人項目（Ｇｒｏｎｏｗｉｃｚ邋Ａ、Ｊ．邋Ｓｚｒｅｋ等，２０１０）、Ｍａｗｓｏｎ移動平逡逑臺（Ｐｅｙｎｏｔ邋Ｔ、Ｌｕｉ邋Ｓ邋Ｔ等

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本文編號：2825319