摘要
随着信息技术和人工智能技术的持续进步，无人化和信息化已经成为现代战争的发展趋势，作为海陆空三位一体中的陆基无人战车的发展也受到越来越多的关注。复杂多变的战场环境对无人战车机动性能和地形适应性都提出了较高的要求，而轮腿式机器人既有腿式结构的高地形适应性也有轮式结构的高机动性，目前已经成为无人战车一个重要发展方向。本文针对战场应用环境，采用轮腿串联式结构设计了一款以轮式为主、腿式为辅的移动机器人，对其开展了轮腿运动学分析、典型轨迹规划和复合越障研究，并建造了样机对研究结果进行实验验证。论文的主要工作如下： 首先，根据功能需求确定了轮腿式机器人总体设计方案，并对其机械本体、关键部件进行了具体结构设计。仿生蜥蜴骨骼结构和尺寸比例关系确定了机器人腿式运动形式、腿式布局和各个部件之间的尺寸比例关系。然后针对方案中的机器人底盘系统，从轮式结构、导向系统结构、制动系统结构和腿式构型等方面分析了标准件选取准则，保障了具体的结构实现。 其次，分别建立了机器人轮式和单腿式的运动学模型。分析了在导向轮转向方案下，机器人几何中心线速度和角速度与机器人每个轮子速度和偏转角度之间的正逆解关系。并针对机器人轮毂电机的特点，分析了包含轮速不确定性的机器人轨迹生成，为机器人在导航信号丢失情况下的精确控制提供理论依据。利用D-H矩阵法建立了单腿运动学正逆解模型，解析了机器人单腿结构的关节转角和腿部各个部件位置之间的关系。 进一步，开展了轮腿式机器人步态规划和复合运动下的越障性能分析。针对机器人腿式仅有两个自由度特点，分析了无滑移两态步态的足端轨迹，揭示了足端轮式运动对机器人越障高度和越障宽度的影响规律。设计了一套轮足共同作用下机器人跨越垂直障碍的具体方案。最后，搭建了轮腿式机器人原型样机，结合机器人软硬件控制系统进行了典型运动实验。定半径转向实验、零半径转向实验和平移实验验证了机器人的轮式运动性能。两态步态行走实验验证了腿式运动性能。复合跨越垂直障碍实验和复合跨沟实验验证了机器人在轮腿复合运动下的越障性能。
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