一种球形月球探测机器人的机构设计与路径规划研究

论文摘要

随着科学技术的迅速发展,机器人特别是移动机器人技术正逐渐崛起。球形机器人是一种特殊的具有全封闭的球形或类球形外壳的移动机器人,能够进行全方位行走,运动速度快,零转弯半径,具有灵活的运动能力,且在运动中不存在翻仰问题。因此在工业、民用、国防以及空间探索等领域具有广泛的应用前景。本论文的研究内容来源于教育部“高等学校科技创新工程重大项目培育资金项目”（708011），是该项目的重要组成部分。本论文将以球形移动机器人为基础,对用于月球探测的球形机器人的关键技术进行研究。主要研究内容如下：首先,针对球形机器人在月球探测时的环境适应性问题,将机器人的整体结构分为运动驱动部分、机械臂部分以及球盖打开部分,并分别对三个子部分进行了分析、计算和设计。其次,针对球形月球探测机器人的运动学与动力学建模问题,将机器人的运动等效为球壳的运动,建立了机器人的运动学模型,并对机器人运动的全向灵活性进行了分析；采用牛顿-欧拉法建立了机器人直线运动和曲线运动的简化动力学模型,并进行了仿真实验验证。再次,针对球形月球探测机器人的斜坡越障特性,建立了机器人的斜坡越障方程；给出了基于越障角度和驱动力矩的两种越障极限条件,并在ADAMS中进行了仿真实验验证。最后,针对球形月球探测机器人在传统人工势场法作用下,容易产生局部极小的路径规划问题,引入了模拟退火-人工势场法和几何信息法两种改进方法,解决了目标不可达的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 星球探测机器人的研究现状和发展趋势
• 1.2.1 星球探测机器人的研究现状
• 1.2.2 星球探测机器人的发展趋势
• 1.3 球形机器人的国内外研究现状
• 1.3.1 国外球形机器人的研究现状
• 1.3.2 国内球形机器人的研究现状
• 1.4 路径规划的基本现状
• 1.4.1 路径规划问题的定义和分类
• 1.4.2 路径规划技术的现状及发展趋势
• 1.5 论文主要研究内容
• 第二章 球形月球探测机器人的机构设计
• 2.1 引言
• 2.2 球形月球探测机器人的整体机构设计
• 2.2.1 运动驱动部分设计
• 2.2.2 机械臂部分设计
• 2.2.3 球盖打开部分设计
• 2.3 球形月球探测机器人关键尺寸设计及相关电机选型
• 2.3.1 运动驱动部分关键尺寸设计及相关电机选型
• 2.3.2 机械臂部分关键尺寸设计及相关电机选型
• 2.3.3 球盖打开部分关键尺寸设计及相关电机选型
• 2.4 本章小结
• 第三章 球形月球探测机器人运动学与动力学模型
• 3.1 引言
• 3.2 球形月球探测机器人运动学模型的建立与分析
• 3.2.1 球形月球探测机器人运动学模型
• 3.2.2 全方位运动灵活性分析
• 3.3 球形月球探测机器人直线运动的动力学模型
• 3.4 球形月球探测机器人曲线运动的简化动力学模型
• 3.4.1 曲线运动简化运动学方程的建立
• 3.4.2 曲线运动仿真实验
• 3.5 本章小结
• 第四章 球形月球探测机器人斜坡越障性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 球形月球探测机器人斜坡越障原理分析
• 4.3 斜坡越障过程动力学模型
• 4.4 越障极限条件
• 4.4.1 斜坡越障极限角度
• 4.4.2 斜坡越障驱动力矩
• 4.5 球形月球探测机器人斜坡越障能力仿真实验
• 4.5.1 机器人斜坡越障仿真实验（1）
• 4.5.2 机器人斜坡越障仿真实验（2）
• 4.5.3 机器人斜坡越障仿真实验（3）
• 4.6 实验结果分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 球形月球探测机器人路径规划研究
• 5.1 引言
• 5.2 人工势场法原理和缺陷
• 5.2.1 人工势场法的原理
• 0,λ,η对算法性能的影响'>5.2.2 参数ρ₀,λ,η对算法性能的影响
• 5.2.3 人工势场法的缺陷
• 5.3 人工势场法的局部极小问题及其解决方法
• 5.3.1 问题提出
• 5.3.2 模拟退火-人工势场法
• 5.3.3 几何信息法
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录