论文总字数：15926字

摘 要

全地形轮式移动机器人在现代社会具有十分广泛的用途，凭借其移动平台应具备良好的几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺性、牵引控制特性和能耗特性。可用于太空，现代战争，以及各种灾害现场等各种方面。本文提出利用柔顺机构的优越性来提高全地形轮式移动机器人在复杂地形上的移动性能的思路，对基于柔顺机构的轮式移动机器人进行了具体的机械系统设计和机械结构设计。对所设计的移动机器人建立了运动学数学模型，并求解其运动学正逆解。对六轮自主移动机器人的结构分析与运动控制方面一点见解

关键词：全地形轮式移动机器人；柔顺机构；机器人设计；运动学建模

Implementation Scheme and Mechanical System Design of All-terrain Wheeled Mobile Robots Based on Compliant Mechanisms

Abstract

All-terrain mobile robots can be widely used for deep-space exploration, military affairs and disaster area rescue. The robot"s locomotion platform own excellent terrain ability, over-obstacle ability, untip over stability, driving placidity, traction controllability and power-saving characteristics. A scheme of all-terrain wheeled mobile robots based on compliant mechanism is proposed to improve the robot"s mobile performance. The kinematic characteristics of the robot are analyzed. The dynamics model of the mobile robot designed is established, and the forward and inverse kinematics of the robot are deduced. The conclusions of this paper can be used to the design of the robot"s motion control system and the robot"s configuration. Some progresses in the aspects of the innovation design theories of locomotion mechanism and the innovation design of high-performance wheeled mobile robot are made.

Keywords: All-terrain wheeled mobile robot; Compliant mechanism; Robot design; Kinematics modeling

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 文献综述 1

1.3 本文的研究内容 3

第二章 基于柔顺机构下的总体方案设计 4

2.1 引言 4

2.2 轮系初步设计方案 4

2.3 柔顺机构在机器人悬架结构中的应用 5

2.3.1 基于柔性铰链的思路 5

2.3.2 基于双稳态机构的思路 5

2.3.3 基于柔顺四杆机构的思路 6

2.4 方案分析论证 6

2.5 小结 7

第三章 全地形轮式移动机器人的机械系统设计和结构设计 9

3.1引言 9

3.2全地形轮式移动机器人机械系统设计 9

3.2.1机械系统描述与电机选用 9

3.2.2 机械系统设计方案 10

3.3 全地形轮式移动机器人机械结构设计 12

3.4 小结 13

第四章 全地形轮式移动机器人运动学建模及仿真 14

4.1 引言 14

4.2 运动学建模 14

4.2.1 模型描述 14

4.2.2 机器人运动学反解 15

4.2.3 机器人运动学正解 15

4.3 机器人原地旋转分析 16

4.4 小结 16

第五章 总结 16

5.1 全文总结 17

5.2 展望 17

致 谢 19

参考文献 20

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

若举出人类最伟大的发明，机器人必然是其中之一。它在当下现有技术的不断支持下，闯过一个又一个难关，截止到目前，成效惊人。而移动机器人作为当前领域一个热点和十分重要的细化学科，随着研究的深入和技术的发展，复杂地形移动机器人应运而生，也被称为全地形移动机器人。它与普通移动机器人相比，更能加适应现代社会多变的环境以及各种各样不同的路况。因此我们应该在机器人移动的实现原理、机械组成、结构方案、路径规划、控制策略等方面充分考虑地形的几何属性和物理属性。

本课题利用柔顺机构的自适应特点，提出基于柔顺机构的全地形轮式移动机器人的思路，充分发挥柔顺机构的优越性，可以大大减少机器人的零件总数和运动副数，这使得磨损降低，所需润滑减少，并提高机构的精度。另外，与刚性构件相比，使用柔顺机构还可以大大地减轻机器人的重量，这点对于行星探测机器人领域有巨大的意义^[1]。

相较于传统意义上的移动机器人，全地形移动机器人可以在任意路况下都畅通无阻，既可用于平地，也可用于户外。因此它的应用前景十分广阔，可用于外太空，战场，大型灾害现场，寻找海底矿物石油等等。基于柔顺机构的全地形轮式移动机器人的研究对科学、军事、社会发展等国民经济的各方面均有重要意义。

1.2 文献综述

现代社会外太空、战场和灾害现场等都有勘测与探查需求，因此仅仅能在良好路况下运动的机器人已经远远不能满足现代社会的需要，对于移动机器人，科学家们现在主要的研究方向在于如何能让其在满足高机动化，满足人工智能的前提下在各种复杂路况下进行运动。

而根据机器人移动机构的特点，基本可分为轮式、腿式、轮腿式等类型。轮式移动机器人虽说速度快，效率高，但遇到水沟，阶梯等则通过性能较差；腿式移动机器人的优点以及缺点正好跟轮式机器人相反，即通过性能高，但速度慢，效率低；相较而言，轮腿式移动机器人结合了前面两者的优点，并且摒弃了缺点。取之精华，去其糟粕，受到众多学者的一致好评。但它比对其他机构相对复杂的结构有时让人不得不止步于前^[2]。

因为轮式移动机构它的重量小、速度快效率高并且易于研究的特点，受到了美国和前苏联很多科学家的喜爱，在20世纪的宇宙探测中都采用了这种机构。因此，轮式全地形移动机器人的设计研究备受关注。

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