將移動機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)測的輪腿復合式移動平臺結合了輪式和腿式運動模式的高速高效及通過性能,在林地復雜非結構化環(huán)境下開展近距離目標監(jiān)測和巡航時具有良好的機動性和通過性。通過分析國內外現(xiàn)有復合式移動平臺的結構特點并結合林區(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,本文設計了一種新型輪腿復合式移動平臺。該平臺采用推桿電機對復合輪腿的四邊形結構進行驅動,對傳統(tǒng)林用移動平臺在越障性與穩(wěn)定性方面的不足進行了改進。本文針對新型林用輪腿式復合移動平臺開展研究,所完成的主要工作如下:1.設計了一種面向林業(yè)特種需求的輪腿復合式監(jiān)測平臺。首先對林區(qū)環(huán)境進行分析并將主要的地形因素進行合理評估,確定平臺腿數(shù)及自由度、腿部機構方案、輪腿復合方案、驅動方式、運動模式及具體機構設計等。為了應對倒木、斜坡、亂石、涉水等多種林區(qū)復雜地形,采用推桿電機控制的開鏈關節(jié)連桿作為腿部設計方案以保證非結構化地形下的越障性能。采用建模軟件Inventor完成了所設計平臺各機構的三維建模及整機裝配。2.推導了輪腿結構的正向運動學。依據(jù)D-H矩陣理論建立了單腿機構的正運動學方程,對選定關節(jié)角下末端輪體的位姿進行理論計算并在Matlab Robotics Toolbox中進行仿真,驗證了運動學推導的準確性。然后基于蒙特卡羅法對所設計移動平臺的有效包絡域空間進行仿真分析,對輪腿機構的運動空間包絡域進行求解以驗證相關參數(shù)選取及機構設計的合理性。接著對整機平臺、髖部、踝部及車輪等處關節(jié)角的理論速度進行推導。3.開展了復合移動平臺的仿真分析。使用有限元分析軟件ABAQUS軟件對所設計的輪腿機構進行應力分析,選擇輪腿機構在越溝時出現(xiàn)跌落這一極限工況作為其危險工況以校核其強度剛度;對所設計機構在四種運動模式下進行運動仿真,根據(jù)所得實驗曲線對其穩(wěn)定性及運行進行評估。最后根據(jù)野外林區(qū)實際應用需求對其控制系統(tǒng)進行整體設計以保證其在實際使用環(huán)境下的工作性能。該新型復合式輪腿機器人可以實現(xiàn)輪式行進、足式跨越和輪足復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、軸距和機身高度從而實現(xiàn)全方位行駛。該機器人環(huán)境適應性強、越障能力好,能夠在林地的復雜非結構化地形下開展作業(yè)并保持機身水平穩(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。
【學位單位】：北京林業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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器人是一種結構控制較為復雜的平臺，其腿足機構可以實現(xiàn)間逡逑歇交替運動。腿式機器人的移動方式使其具有良好的越障性能和環(huán)境適應能力，是理逡逑想的越野作業(yè)方案之一。典型的腿式機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）機器人逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋ｅｘａｍｐｌｅｓ邋ｏｆ邋ｌｅｇｇｅｄ邋ｒｏｂｏｔ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑履帶式機器人裝載有類似坦克和裝甲車的履帶結構，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)定性較強且動載荷較小，適用ｆ林民等多種逡逑復雜崎嶇路面條件。面向林丨Ｘ；巡護丨ｉ的的小型履帶式移動機器人將林川巡防功能進行逡逑結合，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復合運動模式移動機器人逡逑應用于非結構化地形條件Ｆ的高性能移動機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)移動機器人外，近年來結合了多逡逑種機構的復合式移動機器人成為研究重點。在單－移動模式的基礎丨：

歇交替運動。腿式機器人的移動方式使其具有良好的越障性能和環(huán)境適應能力，是理逡逑想的越野作業(yè)方案之一。典型的腿式機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）機器人逡逑Ｆｉｇ邋１．３邋ｅｘａｍｐｌｅｓ邋ｏｆ邋ｌｅｇｇｅｄ邋ｒｏｂｏｔ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑履帶式機器人裝載有類似坦克和裝甲車的履帶結構，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)定性較強且動載荷較小，適用ｆ林民等多種逡逑復雜崎嶇路面條件。面向林丨Ｘ；巡護丨ｉ的的小型履帶式移動機器人將林川巡防功能進行逡逑結合，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復合運動模式移動機器人逡逑應用于非結構化地形條件Ｆ的高性能移動機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)移動機器人外，近年來結合了多逡逑種機構的復合式移動機器人成為研究重點。在單－移動模式的基礎丨：，輪腿式復合機逡逑３逡逑

逑構作為一種全方位運動系統(tǒng)應運而生。復合式移動機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。主要的復合方式總結如下圖所示（圖１．４）。逡逑／邋腿式機器人＼逡逑＼復合式ｙ邐１邋ｉ逡逑＾履帶式機器人ｊ￣￣輪式機器人ｊ逡逑圖１．４復合式運動機器人類別逡逑Ｆｉｇ邋１．４邋ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ邋ｏｆ邋ｈｙｂｒｉｄ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｐｌａｔｆｏｒｍｓ逡逑有關輪腿式復合機器人平臺早期的研究重點為被動式懸架系統(tǒng)，該種被動式機構逡逑具有一定的自由度但無驅動裝置，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，由于其結構簡單被廣泛應用于多個行業(yè)領域。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機器人、前蘇聯(lián)Ｍａｒｓｏｋｈｏｄ機器逡逑人平臺（Ｊｏｈｎｓｏｎ邋Ｊ邋Ｒ、Ｒｕｆｆ邋ＳＷ邋等，２００１）、瑞士聯(lián)邦技術學院（ＥＰＦＬ）的邋Ｓｈｒｉｍｐ（邋Ｌａｍｏｎ逡逑Ｐ、Ｋｒｅｂｓ邋Ａ等，２０１４）等。除被動式懸架類機械平臺外，包括主動重構式結構在內的逡逑輪腿式機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的ＡＴＨＬＥＴＥ機器人頂目、ＵＰＭＣ的Ｈｙｌｏｓ機器人項目（Ｊａｒｒａｕｌｔ邋Ｐ、Ｇｒａｎｄ邋Ｃ等，逡逑２０１５）、Ｌｅｇ邋Ｖａｎ機器人項目（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