面向行星表面探测的蛇形机器人结构设计与控制研究

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行星表面探测是一项伟大而艰巨的任务，通过探测行星表面来研究其地质特性和周围环境，探索和研究行星系统的演变过程，可为未来人类开发和运用行星资源奠定基础。行星表面地质环境复杂，多崎岖路况，传统机器人质量及体积大，运动自由度少，难以适应行星表面环境，而蛇形机器人为超冗余机器人，运动灵活且重心低，适合于在崎岖路况或狭小空间中探测应用。本文面向行星表面探测的需求，设计两种不同的蛇形机器人构型，开展运动学分析及步态规划，并研制样机，开展实验研究。
　　根据应用需求，确定蛇形机器人的功能及性能指标要求，设计了两种蛇形机器人构型及相应的模块化关节，即模块化单自由度关节和模块化双自由度球形关节，前者关节力矩直接输出控制简单，后者关节力矩经传动机构输出，关节驱动能力有所增强。在实际应用中，可根据具体的情况，采用相应的构型和关节。为实现蛇形机器人的步态规划及运动控制，采用D-H法对所设计的两种构型进行运动学建模；通过对生物蛇运动形式的分析，并结合设计的构型，规划了蛇形机器人的蠕动步态、滚动步态及Serpenoid曲线步态，并编写规划软件程序进行步态仿真，验证了理论推导及规划算法的准确性。控制系统是蛇形机器人运动控制的核心，本文以ARM处理器为核心，基于模块化思想设计并开发了蛇形机器人的嵌入式硬件控制器，软件系统移植了实时操作系统 uc/os-ii，利用其灵活的任务调度机制，通过编写任务控制函数实现了多任务的管理。
　　基于上述工作，完成了两种构型蛇形机器人样机的机械加工、组装及调试，并以其中一款样机进行了不同路况下的运动控制实验，包括室内地面，室外的草丛、沙石等环境下的蠕动、滚动及Serpenoid曲线的运动步态及越障实验。结果表明，该蛇形机器人运动能力较强，满足多种路况下的应用需求。

著录项

作者
王洪涛;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科机械工程
授予学位硕士
导师姓名徐文福;
年度 2015
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类机器人;太阳探测器与行星探测器;
关键词
行星表面探测; 蛇形机器人; 结构设计; 步态规划; 运动控制;

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