摘要
机器人作为无生命载体，在危险的复杂战场环境、灾后搜救场景中发挥着越来越重要的作用。机器人在现代城市战场及灾后搜救的工作环境多为非结构路面，比如柏油路边的路肩、被损毁的路面、沟壑等，仅具备单一介质运动能力的机器人无法满足该复杂环境正常工作的需求，因此，轮爪可重构陆空两栖机器人在城市战场中侦察、灾后搜救等环境中有着广阔的应用前景。本文着重针对轮爪可重构机构进行设计，结合当前已有成果，重点对多自由度多刚体机器人的动力学模型及控制方法进行了研究。 首先依据功能需求和指标要求，分析并确定机器人在空中运动实现方案、地面运动实现方案和轮爪重构机构实现方案，然后对各工况下运动系统的驱动电机进行选型，并最终设计出轮爪可重构陆空两栖机器人的总体结构；通过遗传算法对机器人的机体参数进行优化设计，并针对底板进行拓扑优化；在机器人结构的基础上分析机器人的运动特性，针对所设计机器人的多自由度多刚体系统，采用凯恩方程建立了机器人的动力学模型；通过 ADAMS 软件建立虚拟样机模型对地面运动过程和所提出的轮爪可重构机构的越障过程进行仿真，根据实际机器人的具体结构参数及对应工况对动力学模型进行解算，并将仿真结果与基于动力学理论模型的结果进行比较分析；根据机器人动力学模型，分别设计了基于扰动补偿的输入受限控制的地面位置、速度控制器和基于PID算法空中位置、姿态控制器，实现了机器人在不同工况下的轨迹跟踪，通过Simulink仿真验证了控制器的可行性；实验结果表明，所设计的轮爪可重构机构可以实现预期的方案设计功能，所设计的轮爪可重构陆空两栖机器人能够以不飞行的情况下越过高度为轮半径180%的障碍物，遇到无法以轮爪重构机构的障碍物能够以飞行模式通过，所设计的轮爪可重构陆空两栖机器人可以很好的完成指标需求。
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