基于地震环境建模的四足搜救机器人行走研究

论文摘要

四足搜救机器人是在地震灾难发生后,代替救援人员实施高危救援的机器人。近年来,随着世界各地地震灾害的频繁发生,特别是我国的汶川大地震以后,我们迫切的需要一种能够代替救援人员对受灾地区的生还者进行搜索和实施救援的机器人。本文研究了四足搜救机器人在非结构化地形环境下的行走特性,并实现了多种步态的设计。本文在分析黑猩猩和犬类等四足动物行走特点的基础上,通过对黑猩猩和犬类运动特性的对比,提出了仿生设计模型。然后根据四足搜救机器人整体结构的简化模型,对其进行了前腿、后腿运动学分析,并求解出相关雅克比矩阵方程。依据对仿生模型行走方式的分析,将四足搜救机器人的周期步态分为三大类：低速行走步态、中速行走步态和快速行走步态。根据步态间歇和协调特性,细化成六小类步态。并运用时序分析法完成了全部步态的设计。在此基础上,考虑地震环境的复杂性和动态性,又从重心的角度规划了机器人的调整步态作为补充。本文运用VRML建模语言,设计了基于Delaunay不规则三角的有约束中值构造地形方法,对真实的地震环境进行场景重现。即通过等高线数据的生成,应用Delaunay三角剖分法改善等高线模型,设计有约束中值构造法优化Delaunay三角网模型,创建出模拟的地震环境。最后,在Matlab的Simulink环境下,进行四足搜救机器人地震环境中的行走实验。应用步态切换算法,依据此算法对不同的地形特点进行步态切换,在实现避障的前提下到达预定的待救援地点。从而说明了理论研究的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的背景及意义
• 1.3 搜救机器人国内外研究综述
• 1.3.1 搜救机器人国外研究综述
• 1.3.2 搜救机器人国内研究综述
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 四足搜救机器人运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 地震环境下四足搜救机器人的设计要求
• 2.2.1 四足搜救机器人仿生设计
• 2.2.2 四足搜救机器人前后腿自由度分析
• 2.3 四足搜救机器人的运动学分析
• 2.3.1 搜救机器人前腿（上肢）正运动与逆运动学分析
• 2.3.2 搜救机器人后腿（下肢）正运动与逆运动学分析
• 2.3.3 雅克比矩阵方程求解
• 2.4 本章小结
• 第3章 四足搜救机器人基本步态分析
• 3.1 引言
• 3.2 黑猩猩的行走特点
• 3.3 四足搜救机器人周期步态的分析
• 3.3.1 四足搜救机器人周期步态的基本要素
• 3.3.2 四足搜救机器人周期步态的分类
• 3.4 四足搜救机器人周期步态设计
• 3.4.1 四足搜救机器人低速行走模式
• 3.4.2 四足搜救机器人中速行走模式
• 3.4.3 四足搜救机器人快速行走模式
• 3.5 四足搜救机器人步态规划
• 3.5.1 四足搜救机器人运动轨迹规划
• 3.5.2 四足搜救机器人重心调整步态
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于VRML的地震环境建模
• 4.1 引言
• 4.2 VRML语言简介
• 4.2.1 VRML的实现基础
• 4.2.2 VRML地震环境模拟技术
• 4.3 基于VRML的地震环境设计
• 4.3.1 树木模型的建立
• 4.3.2 地形地势模型的建立
• 4.3.3 整体环境模型的设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 四足搜救机器人仿真行走
• 5.1 引言
• 5.2 仿真行走的硬件要求与搜救机器人模型配置
• 5.3 SIMULINK下的避障行走仿真
• 5.4 步态切换算法
• 5.4.1 步态切换算法流程
• 5.4.2 步态切换算法的特点
• 5.5 行走仿真验证
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢