独创性声明 学位论文题目：基于异形轮组合的小型机器人越障性能研究 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：南秋名 签字日期： 年心月？)日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院（筹）可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文： ☑不保密， 口保密期限至 年 月止)。 学位论文作者签名：为配。 报 签字日期： 签字▣期：州年6月门日
独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者： ％瓢乙笔 签字日期： 矽甲年F月7]日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院(筹)可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 i (保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：d不保密， 口保密期限至 年 月止)。 、 ， 学位论文作者张％似 导师签名研街 签字日期： 汐叶年 莎月Ⅵ日 f 签字嗍：硎丫年矿月1日
Y2574422 目录 摘要 Abstract....... ..........n 第1章绪论.… 11选题背景及意义… 1.2越障机器人概述.… 1.3本文的主要内容与组织结构 .6 第2章四足偏心轮腿机器人的设计和步态规划 9 2.1行走单元的设计 9 2.1.1圆心轮的优缺点 .9 2.1.2异形轮的选择… …10 2.2四足偏心轮腿机器人的基本结构 .12 23四足偏心轮腿机器人的步态规划… …14 231轮式运动步态… 14 232腿式行走步态… .16 2.4本章小结… 18 第3章运动学和动力学分析… 21 3.1单个偏心轮运动学分析… 21 3.2整个机体运动学分析… 23 3.3单个偏心轮力学分析… 27 3.4整体动力学分析… 29 3.5本章小结 ,30 第4章越障过程描述和极限越障能力分析 31 4.1斜坡上的攀爬分析… .31 42单个台阶的攀爬分析. .34 4.2.1普通四轮车攀爬台阶 4.2.2四足偏心轮腿机构攀爬台阶… 34 .35 4.2.3四足偏心轮腿机构攀爬台阶的极限能力 .37 4.3凸台的攀爬分析. .39 I
I哪唧4咖呲㈣删哪帅吣矾 Y2574422 目录 摘 要………………………………………………………………………………………………………………．I Abshllct……………………………………………………………………………………………………………．III 第l章绪论……………………………………………………………………………．1 1．1选题背景及意义………………………………………………………………1 1．2越障机器人概述………………………………………………………………1 1．3本文的主要内容与组织结构…………………………………………………．6 第2章四足偏心轮腿机器人的设计和步态规划……………………………………．9 2．1行走单元的设计………………………………………………………………9 2．1．1圆心轮的优缺点…………………………………………………………9 2．1．2异形轮的选择…………………………………………………………．10 2．2四足偏心轮腿机器人的基本结构……………………………………………12 2．3四足偏心轮腿机器人的步态规划…………………………………………．．14 2．3．1轮式运动步态…………………………………………………………．14 2．3．2腿式行走步态…………………………………………………………．1 6 2．4本章小结……………………………………………………………………。l 8 第3章运动学和动力学分析…………………………………………………………21 3．1单个偏心轮运动学分析……………………………………………………。21 3．2整个机体运动学分析………………………………………………………。23 3．3单个偏心轮力学分析…………………………………………………………27 3．4整体动力学分析………………………………………………………………29 3．5本章小结………………………………………………………………………30 第4章越障过程描述和极限越障能力分析…………………………………………3 l 4．1斜坡上的攀爬分析……………………………………………………………3 l 4．2单个台阶的攀爬分析…………………………………………………………34 4．2．1普通四轮车攀爬台阶…………………………………………………34 4．2．2四足偏心轮腿机构攀爬台阶…………………………………………35 4．2．3四足偏心轮腿机构攀爬台阶的极限能力……………………………37 4．3凸台的攀爬分析………………………………………………………………39
4.3.1普通四轮车攀爬凸台 …39 4.3.2四足偏心轮腿机构攀爬凸台 40 4.4沟壑的爬越分析… 42 4.5本章小结 .43 第5章实验结果与分析… 45 5.1控制系统概述… 45 5.2机器人样机实验分析 .45 5.2.1平地上的行走速度和分析… 46 5.2.2台阶障碍物的攀爬高度和分析 47 5.3其他性能测试… 49 5.4本章小结. 50 第6章总结与展望 51 6.1总结… .51 6.2展望 .51 参考文献… 53 致谢 57 攻读硕士期间参与的课题和发表的论文 59
4．3．1普通四轮车攀爬凸台…………………………………………………39 4．3．2四足偏心轮腿机构攀爬凸台…………………………………………40 4．4沟壑的爬越分析………………………………………………………………42 4．5本章小结………………………………………………………………………43 第5章实验结果与分析………………………………………………………………45 5．1控制系统概述………………………………………………………………。45 5．2机器人样机实验分析………………………………………………………．．45 5．2．1平地上的行走速度和分析……………………………………………46 5．2．2台阶障碍物的攀爬高度和分析………………………………………47 5．3其他性能测试………………………………………………………………。49 5．4本章小结……………………………………………………………………。50 第6章总结与展望……………………………………………………………………51 6．1总结……………………………………………………………………………………………………51 6．2展望……………………………………………………………………………………………………5 1 参考文献………………………………………………………………………………．53 致谢……………………………………………………………………………………57 攻读硕士期间参与的课题和发表的论文……………………………………………．59
摘要 基于异形轮组合的小型机器人 越障性能研究 计算机系统结构专业 硕士研究生葛耿育 指导教师 王宇俊教授 摘要 移动机器人在军事侦察、灾后搜救、消防排爆、农田监测、月球探测等多个领域的应 用逐渐成为潮流。而这些特殊领域的使用环境往往是非规则的复杂地形，如野外丛林、地震 后的废墟、火灾后的建筑物、崎岖的山地、坑坑洼洼的月球表面等，因此研究移动机器人的 越障方式和能力成为众多学者的方向之一。此外，这些应用环境中的大多数是小型机器人， 即需要具有体积小、重量轻、具有一定的承载力、环境适应能力强、机动性高等特点。一直 困扰人们的是小型化和越障能力的矛盾，本文兼顾机器人的行走效率和越障能力两个特征， 提出了基于异形轮组合的小型机器人越障机构，即四足偏心轮腿机器人。该机器人具有与轮 式机器人相同的行走效率和较强的自主越障能力。 本文首先从普通轮式机器人行走单元的特点分析出发，对其可能的改进形式做了综合比 较，选择用一种偏心轮结构作为机器人的行走单元，并选用四个为一组，构成一种四足偏心 轮腿机器人，并进行步态的规划。其次对该种机器人结构从运动学和动力学两个方面分析， 运动学部分分析了单个偏心轮的运动规律，构造出参考坐标系对机器人本体的运动状态进行 分析：动力学部分将机器人的重量均匀分布于每个偏心轮的轴心点，描述单个偏心轮的受力 状态，并对整个机体的动力学状态进行分析。之后描述了四足偏心轮腿机器人的越障过程和 越障原理，与普通轮式机器人作一定的比较，并通过理论计算得出各种障碍物环境下的极限 越障能力，障碍物环境分为典型的四种，即：斜坡、单个台阶、凸台和沟壑。本文的最后部 分通过实际的实验，验证了越障原理和测试了越障性能，对实验结果与理论模型之间的差异 进行了原因分析。 通过本课题的理论研究与实验分析，四足偏心轮腿机器人达到了兼顾行走效率和越障能 力两个方面的优势，并且结构简单，易于系统层次上的控制。该移动机构适合救援人员携带 至灾难现场用于在复杂地形中行走，具有较强的机动性，越障高度可以远大于轮子的半径。 关键字：异形轮，小型机器人，越障性能，四足，偏心轮
摘要 基于异形轮组合的小型机器人 越障性能研究 计算机系统结构专业硕士研究生葛耿育 指导教师 王宇俊教授 摘 要 移动机器人在军事侦察、灾后搜救、消防排爆、农田监测、月球探测等多个领域的应 用逐渐成为潮流。而这些特殊领域的使用环境往往是非规则的复杂地形，如野外丛林、地震 后的废墟、火灾后的建筑物、崎岖的山地、坑坑洼洼的月球表面等，因此研究移动机器人的 越障方式和能力成为众多学者的方向之一。此外，这些应用环境中的大多数是小型机器人， 即需要具有体积小、重量轻、具有一定的承载力、环境适应能力强、机动性高等特点。一直 困扰人们的是小型化和越障能力的矛盾，本文兼顾机器人的行走效率和越障能力两个特征， 提出了基于异形轮组合的小型机器人越障机构，即四足偏心轮腿机器人。该机器人具有与轮 式机器人相同的行走效率和较强的自主越障能力。 本文首先从普通轮式机器人行走单元的特点分析出发，对其可能的改进形式做了综合比 较，选择用一种偏心轮结构作为机器人的行走单元，并选用四个为一组，构成一种四足偏心 轮腿机器人，并进行步态的规划。其次对该种机器人结构从运动学和动力学两个方面分析， 运动学部分分析了单个偏心轮的运动规律，构造出参考坐标系对机器人本体的运动状态进行 分析；动力学部分将机器人的重量均匀分布于每个偏心轮的轴心点，描述单个偏心轮的受力 状态，并对整个机体的动力学状态进行分析。之后描述了四足偏心轮腿机器人的越障过程和 越障原理，与普通轮式机器人作一定的比较，并通过理论计算得出各种障碍物环境下的极限 越障能力，障碍物环境分为典型的四种，即：斜坡、单个台阶、凸台和沟壑。本文的最后部 分通过实际的实验，验证了越障原理和测试了越障性能，对实验结果与理论模型之间的差异 进行了原因分析。 通过本课题的理论研究与实验分析，四足偏心轮腿机器人达到了兼顾行走效率和越障能 力两个方面的优势，并且结构简单，易于系统层次上的控制。该移动机构适合救援人员携带 至灾难现场用于在复杂地形中行走，具有较强的机动性，越障高度可以远大于轮子的半径。 关键字：异形轮，小型机器人，越障性能，四足，偏心轮
Abstract Research on obstacle properties of small robot based on abnormal wheels Major:Computer Architecture Author:Ge Geng-yu Supervisor:Prof.Wang Yu-jun Abstract Mobile robot applied in fields like military reconnaissance,disaster rescue,fire EOD, agricultural monitoring,lunar exploration etc,gradually become the trend.The environment of these special areas are mostly complex terrain of non-regular,such as wild jungle,ruins after the earthquake,the building after fire,rugged mountains,the bumpy surface of the moon etc,so studying on obstacle manner and the ability become one direction of many scholars'interests.Small robots are always used in the special areas,needing small size and light weight,has a certain capacity,environmental adaptability and high mobility.Miniaturization and obstacle ability belong to a contradiction.In this paper,considering of getting both the mobile efficiency and obstacle ability, we put forward a kind of small robot model based on abnormal wheels,which is quadruped eccentric wheel-legged robot.The robot has the same efficiency compared with a wheeled robot and high obstacle crossing ability independently. Features of normal wheels are analyzed in the beginning of this paper.After compared the two possible improved results,we choose the eccentric wheel as the walking unit,make four eccentric wheels as a group and make into robot.Then we design gaits for the robot.In the second part of the paper,we analyze the robot structure by kinematics and dynamics methods,find the law of motion of eccentric wheel and construct a reference coordinate system to analyze the state of robot's movement in the kinematics part.Assuming the robot's weight evenly distributed in each of the eccentric pivot point,we describe the force state of eccentric wheel and analyze the dynamics state of the whole organism.The third part of this paper,compared with the ordinary wheeled robot, we describe the obstacle-crossing course and principle of the quadruped eccentric wheel-legged robot and get the obstacle-crossing capability under various environmental obstacles through theoretical calculation.The obstacle environment is divided into four typical species,which are slope,single step,convex object and small gully.The last part,we do a lot of experiments to verify Ⅲ
AbSn琶Ct Research 0n obStacle properties of smaU robot based 0n abnormal wheelS Major：Computer Architectllre Author：Ge Geng-yu SuperVisor：Pro￡Wang Yh_j un AbStraCt Mobile robot applied ill fkldS lil(e militaDr 11eco蛐Iaiss锄∞，disast盯11escue，fi他EOD， a鲥cultul均l m砌蜘I玛，luII盯e)(p1删∞etc，乎删ly become t11e t11胁d。The enVironm髓t of nl嚣e special绷s are moscly c伽叩leX teI讹of non一坞gul甄such鹊wild j岫gle，ruins a丘er也e 锄qual【e，me buildiI培aR盯蠡re，mgged momItaills，tlIe b岫py surf配e of廿le moon咖，so st蛐g on obstac_le m锄盯锄d也e abili锣bB啪eⅨ圮direction of many s醴lolars’i11钯re啦．Smn rob0怊a他always吣ed iIl the sp旧cial a∞嬲，m增目diI唱鲫aU si∞锄d light weight，h∞a c盯taill 唧∞ity，∞V的岫即tal adjlptabil时锄d high mobil咄MiIIiatIIrization锄d obstacle abil时bel∞g to a con仃砸icti∞．Ill也is pap％consi捌ng ofgetting bom the mobile emci锄cy锄d obstacle曲ili饥 wepIItf01wardal(iIldof锄allrobotmodelbased鲫曲n锄alwh∞ls，wtlichis q岫d州ecc朋tric wI雠l—legged rol斌．The robot h弱Ⅱle s锄e e伍ci饥c)，compa他d wim a wh∞led robot狮d lligll obstade crossing ability iIl出：pend锄tly． F翩tu他s of nomal wh∞ls are锄alyzed ill也e begimlillg Of也is paper-Aft嚣compafed也e 铆o possible improVed他sIllts，we choose me ecc锄嘶c Wheel猫tlle、va墩ing砌t，maI【c f．0Ilr eC洲c池ls鹊a gro印锄d mal【e int0 robot．，nl钮we desi班gaitS for tlle robot．hl廿1e s∞∞d part of廿le paper，we锄alyj∞tlle robot蚰撇Il他by kiIlematics and dyn锄ics memodS，伽Ⅱle law ofmati∞of cc∞嘣c妇l and co璐咖ct a re向．锶∞c0钾diIlate sy呶盥to髓alyze也e state of robot’s movem酬iIl tlle lcin锄atics part．As跚miI鸣tlle robot。s、veight ev∞ly distributed iIl e∞h of t11e ecc酬c piV0t poi蝇we dcs喇be me fo】nce state of∞c朋tric wheel柚d锄aly跫tlle dyn锄ics s‰ofⅡle whole o玛aIli锄．The third part of tllis paper’compared with也e ordinary wheeled rob畎 we des嘶be廿le obstflcle-crossiIlg courSe锄d肿．mciple of廿le q腿dnlped ecc∞tric wh∞l-le黯嗣 robot锄d get曲le 0bst∞le．crossing capabil崎und盯VarioIlS翎Vironmental obgtacles through 协eoretical calculation．The obst们le∞Viro姗钮t is diVided iIlto four帅i髓l Species，which are slope，sill西e姗ep，conVex object雒d锄all gully．The 1ast pan’we do a lot of e)币e曲州ts to v丽匆 m