Rolling-.Wolf轮腿式机器人设计及优化 UNI 重庆大学硕士学位论文 (专业学位) 学生姓名：罗洋 指导教师：李奇敏 副教授 兼职导师：韩花丽 高级工程师 学位类别：工程硕士（机械工程领域) 重庆大学机械工程学院 二0一四年五月
Rolling-Wolf 轮腿式机器人设计及优化 重庆大学硕士学位论文 （专业学位） 学生姓名：罗 洋 指导教师：李奇敏 副教授 兼职导师：韩花丽 高级工程师 学位类别：工程硕士（机械工程领域） 重庆大学机械工程学院 二 O 一四年五月
Design and Optimization of Wheel-legged Robot:Rolling-Wolf QING A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master's Degree of Engineering By Luo Yang Supervised by Prof.Li Qimin Pluralistic Supervisor by Senior Eng.Han Huali Specialty:ME (Mechanical Engineering Field) College of Mechanical Engineering of Chongqing University,Chongqing,China May,2014
Design and Optimization of Wheel-legged Robot：Rolling-Wolf A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’s Degree of Engineering By Luo Yang Supervised by Prof. Li Qimin Pluralistic Supervisor by Senior Eng. Han Huali Specialty: ME (Mechanical Engineering Field) College of Mechanical Engineering of Chongqing University, Chongqing, China May, 2014
中文摘要 摘 要 移动机器人可用于行星探测、军事侦察、矿山开采、反恐排雷等非结构化环境 中，能有效减轻人类工作强度、保护人身安全以及完成人类难以完成的工作，有 着巨大的经济效益和社会效益。移动机器人可分为轮式、腿式、履带式以及轮腿 结合式四类。其中，轮腿式机器人具备腿式机器人的高越障性能和轮式机器人的 高速高效性能，被认为是下一代最有发展潜力的高性能移动机器人。但目前轮腿 式机器人多为关节处直接添加驱动电机来驱动轮腿的运动，其载荷分布、承载能 力、稳定性等方面有待改善。 针对现有轮腿式机器人在以上方面的不足，论文设计了一种结构简单、承载 能力强、越障性能好、运行平稳的新型轮腿式机器人(Rolling-Wolf),该机器人采 用在机架和大腿上安装滚珠丝杠来驱动大小腿的转动，避免了以往在关节处添加 驱动电机以及减速器的方法，有效改善了机器人轮腿的受力状况，提高了系统的 承载能力以及轮腿机构的稳定性。 论文针对所设计的新型轮腿式机器人，展开了一系列的研究工作： ①对所设计的轮腿式机器人的结构原理、运动学性能以及力学特性进行了 详细分析。文中首先根据移动机器人设计要求以及已有轮腿式机器人所存在的不 足，提出了新型轮腿式机器人机构原理方案。并将所提出的机构方案与己有方案 进行力学对比分析，验证了所提出的机构方案在力学性能上的优越性。其次，论 文建立了所设计轮腿式机器人的运动学模型，基于所建立的运动学模型，求解了 多种轮腿可行设计方案的运动包络域，并以此对所提出不同轮腿设计方案进行择 优，最终完成了轮腿式机器人Rolling-Wolf的详细结构设计。 ②为了获得具有最佳运动特性以及受力特性的轮腿式机器人，论文对所设计 的Rolling-Wolf的轮腿结构参数进行了行了多目标优化。针对Rolling-Wolf的多目 标优化问题，论文建立了Rolling-Wolf机器人的位姿模型、静力学模型，并根据这 两个模型提出了Rolling-Wolf的性能评估标准。文中使用Isight优化软件中集成的 AMGA算法并联合Matlab软件对所建立的多目标优化模型进行求解，求解结果表 明机器人运动性能和力学性能得到了明显的提高，其优化后的最大抬腿高度约为 500mm,提高了65.53%，在自重40kg、载荷30kg工况下，大小腿最大驱动力比 优化前分别降低了25.5%以及12.58%。 ③对所设计的Rolling-Wolf轮腿式机器人的动力学模型进行了推导，建立了 其简单动力学模型，并采用ADAMS动力学仿真软件对其“带负荷姿态变换工况下 驱动系统所需功率”以及“不平整路面减震系统效果”进行了动力学仿真。仿真得到
中文摘要 I 摘 要 移动机器人可用于行星探测、军事侦察、矿山开采、反恐排雷等非结构化环境 中，能有效减轻人类工作强度、保护人身安全以及完成人类难以完成的工作，有 着巨大的经济效益和社会效益。移动机器人可分为轮式、腿式、履带式以及轮腿 结合式四类。其中，轮腿式机器人具备腿式机器人的高越障性能和轮式机器人的 高速高效性能，被认为是下一代最有发展潜力的高性能移动机器人。但目前轮腿 式机器人多为关节处直接添加驱动电机来驱动轮腿的运动，其载荷分布、承载能 力、稳定性等方面有待改善。 针对现有轮腿式机器人在以上方面的不足，论文设计了一种结构简单、承载 能力强、越障性能好、运行平稳的新型轮腿式机器人(Rolling-Wolf)，该机器人采 用在机架和大腿上安装滚珠丝杠来驱动大小腿的转动，避免了以往在关节处添加 驱动电机以及减速器的方法，有效改善了机器人轮腿的受力状况，提高了系统的 承载能力以及轮腿机构的稳定性。 论文针对所设计的新型轮腿式机器人，展开了一系列的研究工作： 对所设计的轮腿式机器人的结构原理、运动学性能以及力学特性进行了 详细分析。文中首先根据移动机器人设计要求以及已有轮腿式机器人所存在的不 足，提出了新型轮腿式机器人机构原理方案。并将所提出的机构方案与已有方案 进行力学对比分析，验证了所提出的机构方案在力学性能上的优越性。其次，论 文建立了所设计轮腿式机器人的运动学模型，基于所建立的运动学模型，求解了 多种轮腿可行设计方案的运动包络域，并以此对所提出不同轮腿设计方案进行择 优，最终完成了轮腿式机器人 Rolling-Wolf 的详细结构设计。 为了获得具有最佳运动特性以及受力特性的轮腿式机器人，论文对所设计 的 Rolling-Wolf 的轮腿结构参数进行了行了多目标优化。针对 Rolling-Wolf 的多目 标优化问题，论文建立了 Rolling-Wolf 机器人的位姿模型、静力学模型，并根据这 两个模型提出了 Rolling-Wolf 的性能评估标准。文中使用 Isight 优化软件中集成的 AMGA 算法并联合 Matlab 软件对所建立的多目标优化模型进行求解，求解结果表 明机器人运动性能和力学性能得到了明显的提高，其优化后的最大抬腿高度约为 500mm，提高了 65.53%，在自重 40kg、载荷 30kg 工况下，大小腿最大驱动力比 优化前分别降低了 25.5% 以及 12.58%。 对所设计的 Rolling-Wolf 轮腿式机器人的动力学模型进行了推导，建立了 其简单动力学模型，并采用 ADAMS 动力学仿真软件对其―带负荷姿态变换工况下 驱动系统所需功率‖以及―不平整路面减震系统效果‖进行了动力学仿真。仿真得到