【摘 要】
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目前成功服役的星表探测机器人都是轮式移动系统,轮式机器人在平坦地形上表现出较好的移动性能,但难以适应崎岖不平的复杂地形。轮腿式机器人将腿式机器人和轮式机器人结合,同时兼备轮式机器人移动速度快的优势和腿式机器人灵活的仿生特性,逐渐成为星表探测机器人发展的一个重要方向。轮腿式机器人在复杂环境下具备优越的适应性,但是需要搭载更多的驱动单元,增加了机构复杂度和运动规划的难度,轮腿式机器人如何在复杂地形下实
【基金项目】
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民用航天技术预先研究项目“机器人移动机构构型运动学与动力学分析”（项目编号:030601）
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目前成功服役的星表探测机器人都是轮式移动系统,轮式机器人在平坦地形上表现出较好的移动性能,但难以适应崎岖不平的复杂地形。轮腿式机器人将腿式机器人和轮式机器人结合,同时兼备轮式机器人移动速度快的优势和腿式机器人灵活的仿生特性,逐渐成为星表探测机器人发展的一个重要方向。轮腿式机器人在复杂环境下具备优越的适应性,但是需要搭载更多的驱动单元,增加了机构复杂度和运动规划的难度,轮腿式机器人如何在复杂地形下实现高效移动,减少运动过程中的冗余动作,成为其研制技术中的重点与难点,而实现高效移动的关键又在于制定出高效的移动策略。本文以一种新型的六足轮腿式月面移动机器人为研究对象,针对复杂地形下轮腿式机器人如何实现高效移动的问题,在以下几个方面展开研究工作:（1）根据六足轮腿式月面机器人的构型特点,建立了机器人正、逆运动学模型,得到了支腿运动空间;研究了多支腿机器人支撑相支腿的足地力求解问题,采用伪逆法建立了足端支反力学模型,基于拉格朗日法推导了机器人支腿的动力学方程,建立了包含地面反力的支腿动力学模型。（2）开展六足轮腿式月面机器人运动规划方法研究,在足式运动规划中,分别研究了支腿和机身的轨迹规划方法,通过研究机器人基本步态,分析了各步态之间的差异性,结合六足轮腿式月面机器人的构型特点确定其步态行走方案,针对轮腿式机器人的轮式运动规划,分别研究机器人轮式直线运动和转弯运动,分析六足轮腿式月面机器人轮式运动特性。（3）研究轮腿式机器人轮足复合移动策略的表征方法,通过引入关节空间状态量描述轮式运动时支腿相对于机身的位姿、引入位姿转换量描述相邻时序关节空间状态量之间的运动过程,提出一种轮足复合移动策略规划方法,将轮腿式机器人的移动过程转化为多个轮式移动和足式移动过程,降低移动策略规划的复杂度,建立了包括时间-能耗指标的移动策略模型,提出了轮腿式机器人轮足高效移动策略优化方法,以轮式运动状态量与位姿转换量为优化变量,以越障时间最短和能耗最低为优化目标,通过优化迭代形成了轮腿式机器人轮足高效移动策略,基于以上研究,开发了六足轮腿式月面机器人高效移动仿真软件。（4）建立六足轮腿式月面机器人虚拟样机,对机器人在足式运动模式下的步态行走与轮式运动模式下的转向运动进行了仿真;建立包括阶梯、沟壑和斜坡的复杂地形,在该地形下分别采常规移动策略和优化策略对六足轮腿式月面机器人进行通过性仿真,分析了机器人在两种移动策略下的支腿运动、移动时间和能耗情况,验证了效移动策略的有效性。综上,本文提出了轮腿式机器人轮足复合高效移动策略优化方法,通过仿真验证了其有效性,为提高复杂地形下轮腿式机器人的移动效率提供了理论基础。
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