独创性声明 学位论文题目：基于异形轮组合的小型机器人越障性能研究 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：南秋名 签字日期： 年心月？)日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院（筹）可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文： ☑不保密， 口保密期限至 年 月止)。 学位论文作者签名：为配。 报 签字日期： 签字▣期：州年6月门日
独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者： ％瓢乙笔 签字日期： 矽甲年F月7]日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院(筹)可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 i (保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：d不保密， 口保密期限至 年 月止)。 、 ， 学位论文作者张％似 导师签名研街 签字日期： 汐叶年 莎月Ⅵ日 f 签字嗍：硎丫年矿月1日
Y2574422 目录 摘要 Abstract....... ..........n 第1章绪论.… 11选题背景及意义… 1.2越障机器人概述.… 1.3本文的主要内容与组织结构 .6 第2章四足偏心轮腿机器人的设计和步态规划 9 2.1行走单元的设计 9 2.1.1圆心轮的优缺点 .9 2.1.2异形轮的选择… …10 2.2四足偏心轮腿机器人的基本结构 .12 23四足偏心轮腿机器人的步态规划… …14 231轮式运动步态… 14 232腿式行走步态… .16 2.4本章小结… 18 第3章运动学和动力学分析… 21 3.1单个偏心轮运动学分析… 21 3.2整个机体运动学分析… 23 3.3单个偏心轮力学分析… 27 3.4整体动力学分析… 29 3.5本章小结 ,30 第4章越障过程描述和极限越障能力分析 31 4.1斜坡上的攀爬分析… .31 42单个台阶的攀爬分析. .34 4.2.1普通四轮车攀爬台阶 4.2.2四足偏心轮腿机构攀爬台阶… 34 .35 4.2.3四足偏心轮腿机构攀爬台阶的极限能力 .37 4.3凸台的攀爬分析. .39 I
I哪唧4咖呲㈣删哪帅吣矾 Y2574422 目录 摘 要………………………………………………………………………………………………………………．I Abshllct……………………………………………………………………………………………………………．III 第l章绪论……………………………………………………………………………．1 1．1选题背景及意义………………………………………………………………1 1．2越障机器人概述………………………………………………………………1 1．3本文的主要内容与组织结构…………………………………………………．6 第2章四足偏心轮腿机器人的设计和步态规划……………………………………．9 2．1行走单元的设计………………………………………………………………9 2．1．1圆心轮的优缺点…………………………………………………………9 2．1．2异形轮的选择…………………………………………………………．10 2．2四足偏心轮腿机器人的基本结构……………………………………………12 2．3四足偏心轮腿机器人的步态规划…………………………………………．．14 2．3．1轮式运动步态…………………………………………………………．14 2．3．2腿式行走步态…………………………………………………………．1 6 2．4本章小结……………………………………………………………………。l 8 第3章运动学和动力学分析…………………………………………………………21 3．1单个偏心轮运动学分析……………………………………………………。21 3．2整个机体运动学分析………………………………………………………。23 3．3单个偏心轮力学分析…………………………………………………………27 3．4整体动力学分析………………………………………………………………29 3．5本章小结………………………………………………………………………30 第4章越障过程描述和极限越障能力分析…………………………………………3 l 4．1斜坡上的攀爬分析……………………………………………………………3 l 4．2单个台阶的攀爬分析…………………………………………………………34 4．2．1普通四轮车攀爬台阶…………………………………………………34 4．2．2四足偏心轮腿机构攀爬台阶…………………………………………35 4．2．3四足偏心轮腿机构攀爬台阶的极限能力……………………………37 4．3凸台的攀爬分析………………………………………………………………39
4.3.1普通四轮车攀爬凸台 …39 4.3.2四足偏心轮腿机构攀爬凸台 40 4.4沟壑的爬越分析… 42 4.5本章小结 .43 第5章实验结果与分析… 45 5.1控制系统概述… 45 5.2机器人样机实验分析 .45 5.2.1平地上的行走速度和分析… 46 5.2.2台阶障碍物的攀爬高度和分析 47 5.3其他性能测试… 49 5.4本章小结. 50 第6章总结与展望 51 6.1总结… .51 6.2展望 .51 参考文献… 53 致谢 57 攻读硕士期间参与的课题和发表的论文 59
4．3．1普通四轮车攀爬凸台…………………………………………………39 4．3．2四足偏心轮腿机构攀爬凸台…………………………………………40 4．4沟壑的爬越分析………………………………………………………………42 4．5本章小结………………………………………………………………………43 第5章实验结果与分析………………………………………………………………45 5．1控制系统概述………………………………………………………………。45 5．2机器人样机实验分析………………………………………………………．．45 5．2．1平地上的行走速度和分析……………………………………………46 5．2．2台阶障碍物的攀爬高度和分析………………………………………47 5．3其他性能测试………………………………………………………………。49 5．4本章小结……………………………………………………………………。50 第6章总结与展望……………………………………………………………………51 6．1总结……………………………………………………………………………………………………51 6．2展望……………………………………………………………………………………………………5 1 参考文献………………………………………………………………………………．53 致谢……………………………………………………………………………………57 攻读硕士期间参与的课题和发表的论文……………………………………………．59
摘要 基于异形轮组合的小型机器人 越障性能研究 计算机系统结构专业 硕士研究生葛耿育 指导教师 王宇俊教授 摘要 移动机器人在军事侦察、灾后搜救、消防排爆、农田监测、月球探测等多个领域的应 用逐渐成为潮流。而这些特殊领域的使用环境往往是非规则的复杂地形，如野外丛林、地震 后的废墟、火灾后的建筑物、崎岖的山地、坑坑洼洼的月球表面等，因此研究移动机器人的 越障方式和能力成为众多学者的方向之一。此外，这些应用环境中的大多数是小型机器人， 即需要具有体积小、重量轻、具有一定的承载力、环境适应能力强、机动性高等特点。一直 困扰人们的是小型化和越障能力的矛盾，本文兼顾机器人的行走效率和越障能力两个特征， 提出了基于异形轮组合的小型机器人越障机构，即四足偏心轮腿机器人。该机器人具有与轮 式机器人相同的行走效率和较强的自主越障能力。 本文首先从普通轮式机器人行走单元的特点分析出发，对其可能的改进形式做了综合比 较，选择用一种偏心轮结构作为机器人的行走单元，并选用四个为一组，构成一种四足偏心 轮腿机器人，并进行步态的规划。其次对该种机器人结构从运动学和动力学两个方面分析， 运动学部分分析了单个偏心轮的运动规律，构造出参考坐标系对机器人本体的运动状态进行 分析：动力学部分将机器人的重量均匀分布于每个偏心轮的轴心点，描述单个偏心轮的受力 状态，并对整个机体的动力学状态进行分析。之后描述了四足偏心轮腿机器人的越障过程和 越障原理，与普通轮式机器人作一定的比较，并通过理论计算得出各种障碍物环境下的极限 越障能力，障碍物环境分为典型的四种，即：斜坡、单个台阶、凸台和沟壑。本文的最后部 分通过实际的实验，验证了越障原理和测试了越障性能，对实验结果与理论模型之间的差异 进行了原因分析。 通过本课题的理论研究与实验分析，四足偏心轮腿机器人达到了兼顾行走效率和越障能 力两个方面的优势，并且结构简单，易于系统层次上的控制。该移动机构适合救援人员携带 至灾难现场用于在复杂地形中行走，具有较强的机动性，越障高度可以远大于轮子的半径。 关键字：异形轮，小型机器人，越障性能，四足，偏心轮
摘要 基于异形轮组合的小型机器人 越障性能研究 计算机系统结构专业硕士研究生葛耿育 指导教师 王宇俊教授 摘 要 移动机器人在军事侦察、灾后搜救、消防排爆、农田监测、月球探测等多个领域的应 用逐渐成为潮流。而这些特殊领域的使用环境往往是非规则的复杂地形，如野外丛林、地震 后的废墟、火灾后的建筑物、崎岖的山地、坑坑洼洼的月球表面等，因此研究移动机器人的 越障方式和能力成为众多学者的方向之一。此外，这些应用环境中的大多数是小型机器人， 即需要具有体积小、重量轻、具有一定的承载力、环境适应能力强、机动性高等特点。一直 困扰人们的是小型化和越障能力的矛盾，本文兼顾机器人的行走效率和越障能力两个特征， 提出了基于异形轮组合的小型机器人越障机构，即四足偏心轮腿机器人。该机器人具有与轮 式机器人相同的行走效率和较强的自主越障能力。 本文首先从普通轮式机器人行走单元的特点分析出发，对其可能的改进形式做了综合比 较，选择用一种偏心轮结构作为机器人的行走单元，并选用四个为一组，构成一种四足偏心 轮腿机器人，并进行步态的规划。其次对该种机器人结构从运动学和动力学两个方面分析， 运动学部分分析了单个偏心轮的运动规律，构造出参考坐标系对机器人本体的运动状态进行 分析；动力学部分将机器人的重量均匀分布于每个偏心轮的轴心点，描述单个偏心轮的受力 状态，并对整个机体的动力学状态进行分析。之后描述了四足偏心轮腿机器人的越障过程和 越障原理，与普通轮式机器人作一定的比较，并通过理论计算得出各种障碍物环境下的极限 越障能力，障碍物环境分为典型的四种，即：斜坡、单个台阶、凸台和沟壑。本文的最后部 分通过实际的实验，验证了越障原理和测试了越障性能，对实验结果与理论模型之间的差异 进行了原因分析。 通过本课题的理论研究与实验分析，四足偏心轮腿机器人达到了兼顾行走效率和越障能 力两个方面的优势，并且结构简单，易于系统层次上的控制。该移动机构适合救援人员携带 至灾难现场用于在复杂地形中行走，具有较强的机动性，越障高度可以远大于轮子的半径。 关键字：异形轮，小型机器人，越障性能，四足，偏心轮
Abstract Research on obstacle properties of small robot based on abnormal wheels Major:Computer Architecture Author:Ge Geng-yu Supervisor:Prof.Wang Yu-jun Abstract Mobile robot applied in fields like military reconnaissance,disaster rescue,fire EOD, agricultural monitoring,lunar exploration etc,gradually become the trend.The environment of these special areas are mostly complex terrain of non-regular,such as wild jungle,ruins after the earthquake,the building after fire,rugged mountains,the bumpy surface of the moon etc,so studying on obstacle manner and the ability become one direction of many scholars'interests.Small robots are always used in the special areas,needing small size and light weight,has a certain capacity,environmental adaptability and high mobility.Miniaturization and obstacle ability belong to a contradiction.In this paper,considering of getting both the mobile efficiency and obstacle ability, we put forward a kind of small robot model based on abnormal wheels,which is quadruped eccentric wheel-legged robot.The robot has the same efficiency compared with a wheeled robot and high obstacle crossing ability independently. Features of normal wheels are analyzed in the beginning of this paper.After compared the two possible improved results,we choose the eccentric wheel as the walking unit,make four eccentric wheels as a group and make into robot.Then we design gaits for the robot.In the second part of the paper,we analyze the robot structure by kinematics and dynamics methods,find the law of motion of eccentric wheel and construct a reference coordinate system to analyze the state of robot's movement in the kinematics part.Assuming the robot's weight evenly distributed in each of the eccentric pivot point,we describe the force state of eccentric wheel and analyze the dynamics state of the whole organism.The third part of this paper,compared with the ordinary wheeled robot, we describe the obstacle-crossing course and principle of the quadruped eccentric wheel-legged robot and get the obstacle-crossing capability under various environmental obstacles through theoretical calculation.The obstacle environment is divided into four typical species,which are slope,single step,convex object and small gully.The last part,we do a lot of experiments to verify Ⅲ
AbSn琶Ct Research 0n obStacle properties of smaU robot based 0n abnormal wheelS Major：Computer Architectllre Author：Ge Geng-yu SuperVisor：Pro￡Wang Yh_j un AbStraCt Mobile robot applied ill fkldS lil(e militaDr 11eco蛐Iaiss锄∞，disast盯11escue，fi他EOD， a鲥cultul均l m砌蜘I玛，luII盯e)(p1删∞etc，乎删ly become t11e t11胁d。The enVironm髓t of nl嚣e special绷s are moscly c伽叩leX teI讹of non一坞gul甄such鹊wild j岫gle，ruins a丘er也e 锄qual【e，me buildiI培aR盯蠡re，mgged momItaills，tlIe b岫py surf配e of廿le moon咖，so st蛐g on obstac_le m锄盯锄d也e abili锣bB啪eⅨ圮direction of many s醴lolars’i11钯re啦．Smn rob0怊a他always吣ed iIl the sp旧cial a∞嬲，m增目diI唱鲫aU si∞锄d light weight，h∞a c盯taill 唧∞ity，∞V的岫即tal adjlptabil时锄d high mobil咄MiIIiatIIrization锄d obstacle abil时bel∞g to a con仃砸icti∞．Ill也is pap％consi捌ng ofgetting bom the mobile emci锄cy锄d obstacle曲ili饥 wepIItf01wardal(iIldof锄allrobotmodelbased鲫曲n锄alwh∞ls，wtlichis q岫d州ecc朋tric wI雠l—legged rol斌．The robot h弱Ⅱle s锄e e伍ci饥c)，compa他d wim a wh∞led robot狮d lligll obstade crossing ability iIl出：pend锄tly． F翩tu他s of nomal wh∞ls are锄alyzed ill也e begimlillg Of也is paper-Aft嚣compafed也e 铆o possible improVed他sIllts，we choose me ecc锄嘶c Wheel猫tlle、va墩ing砌t，maI【c f．0Ilr eC洲c池ls鹊a gro印锄d mal【e int0 robot．，nl钮we desi班gaitS for tlle robot．hl廿1e s∞∞d part of廿le paper，we锄alyj∞tlle robot蚰撇Il他by kiIlematics and dyn锄ics memodS，伽Ⅱle law ofmati∞of cc∞嘣c妇l and co璐咖ct a re向．锶∞c0钾diIlate sy呶盥to髓alyze也e state of robot’s movem酬iIl tlle lcin锄atics part．As跚miI鸣tlle robot。s、veight ev∞ly distributed iIl e∞h of t11e ecc酬c piV0t poi蝇we dcs喇be me fo】nce state of∞c朋tric wheel柚d锄aly跫tlle dyn锄ics s‰ofⅡle whole o玛aIli锄．The third part of tllis paper’compared with也e ordinary wheeled rob畎 we des嘶be廿le obstflcle-crossiIlg courSe锄d肿．mciple of廿le q腿dnlped ecc∞tric wh∞l-le黯嗣 robot锄d get曲le 0bst∞le．crossing capabil崎und盯VarioIlS翎Vironmental obgtacles through 协eoretical calculation．The obst们le∞Viro姗钮t is diVided iIlto four帅i髓l Species，which are slope，sill西e姗ep，conVex object雒d锄all gully．The 1ast pan’we do a lot of e)币e曲州ts to v丽匆 m
西南大学硕士学位论文 the obstacle-crossing principle and test the obstacle-crossing performance.Then the reasons why existing difference between experimental results and theoretical model was analyzed at last Through theoretical analysis and experimental study of this subject,quadruped eccentric wheel-legged robot is proved that has both walking efficiency and obstacle-crossing ability advantages.Simultaneously the robot has simple structure and can be easily controlled on the control system level.Rescue workers can carry the robot to the complex terrain after disaster.Actually the robot can cross the obstacle height much larger than the radius of a wheel. Keywords:abnormal wheel,small robots,obstacle-crossing ability,quadruped, eccentric wheel z
西南大学硕士学位论文 廿le obs_t∞le二crossiI培p血ciple and tcst me obstacle-crossillg p晌mance．Th锄廿le reasons、^，!hy eXistillg di氐醯胁ce b舐veeIl eXp矾m％_tal results alld theoretical model was撇lyzed at last． ThroughⅡle删ical analysis and唧emental咖dy of廿1is subject，qu暑IdI呷ed ecc州c wheel-legged robot is p∞vedⅡlat lm boⅡ1 walking e伍ci∞cy锄d obStacle-crossing abil时 adVaIltages．Simultalleo璐ly缸1e robot h雒simple Stru魂聆锄d c锄be锶sily con打oned on nle con仃ol syst锄level．Resc鹏wor叠【erS c锄car哕也e robot to廿le c伽叩l既temiIl after disaSt既Act岫lly me robot can cross me obst∞1e height much 1a唱er血an me均dius of a、jv=I埒e1． Keywords：abnomal wheel， small robots， obs乜Icle-crossing abili吼 quadnJped， ecce砌c wheel Ⅳ
第1章绪论 第1章绪论 1.1选题背景及意义 对于突发性的自然灾害（地震、泥石流、山体坍塌等）、高层建筑物火灾、煤 矿坍塌或者瓦斯爆炸事故、军事侦察以及危害人类生命财产安全事件发生后，靠 人力去搜集信息或者搜救幸存人员存在一定的危险性，并且救援人员和大型教援 机器往往无法靠近现场，因此需要救援人员携带一种便携式、重量轻和越障能力 优越的小型机器人赶赴现场实施救援工作。这些机器人需要具有体积小重量轻的 特点以便于救援人员随身携带至灾难现场，需要有较强的地形适应性，不仅可以 在规整的地面上快速有效地行走，而且具有一定的越障能力。因此，非规整地形 行走的机器人日益得到了国内外众多研究人员的重视，成为了移动机器人领域的 一个充满活力、具有挑战性的前沿发展方向。 轮式运动以其承载力大、速度快且平稳、抗撞击、结构简单和控制容易的优 点成为了最常见的移动方式；而且由于各种尺寸和材料的轮式结构易于获得且价 格便宜，与电动马达的协作也简单易行，从而以轮子为行走机构的移动机器人得 到了广泛的应用。 近年来，为了适应规则地形的快速和有效率的行走，以及在非规整地形中有 效越障的情况，单一的轮式移动机器人不能适应复杂的地形，所以很多研究人员 都是把精力放在基于轮腿组合式、履带式组合的机器人越障分析研究方面。然而 抛弃了轮式行走机构的方法便意味着行走效率的降低以及机器人本体的复杂化。 为了能在行走速度和越障能力方面达到较好的平衡，本课题选择一种类似于 轮子的异形轮作为行走机构，通过选取适当的轮子数量，组合起来。提出相应的 基于异形轮组合的小型机器人平台的架构、越障行走方式以及控制方法，从理论 上分析其越障性能的可行性，并用具体实验来加以验证。 1.2越障机器人概述 国内外关于机器人的定义和分类各有一些不同，国际标准化组织采纳了美国 机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机：或是为了执行不 同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统”。机器人的分类有很多 种，中国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和 特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器 人。而特种机器人则是除工业机器人之外的且用于非制造业并服务于人类的各种 先进机器人，其中包括：军用机器人、水下机器人、娱乐机器人、服务机器人、 农业机器人等。国际上的一些机器人学者也是从应用环境出发将机器人分为两类： 1
第1章绪论 第1章绪论 1．1选题背景及意义 对于突发性的自然灾害(地震、泥石流、山体坍塌等)、高层建筑物火灾、煤 矿坍塌或者瓦斯爆炸事故、军事侦察以及危害人类生命财产安全事件发生后，靠 人力去搜集信息或者搜救幸存人员存在一定的危险性，并且救援人员和大型救援 机器往往无法靠近现场，因此需要救援人员携带一种便携式、重量轻和越障能力 优越的小型机器人赶赴现场实施救援工作。这些机器人需要具有体积小重量轻的 特点以便于救援人员随身携带至灾难现场，需要有较强的地形适应性，不仅可以 在规整的地面上快速有效地行走，而且具有一定的越障能力。因此，非规整地形 行走的机器人日益得到了国内外众多研究人员的重视，成为了移动机器人领域的 一个充满活力、具有挑战性的前沿发展方向。 轮式运动以其承载力大、速度快且平稳、抗撞击、结构简单和控制容易的优 点成为了最常见的移动方式；而且由于各种尺寸和材料的轮式结构易于获得且价 格便宜，与电动马达的协作也简单易行，从而以轮子为行走机构的移动机器人得 到了广泛的应用。 近年来，为了适应规则地形的快速和有效率的行走，以及在非规整地形中有 效越障的情况，单一的轮式移动机器人不能适应复杂的地形，所以很多研究人员 都是把精力放在基于轮腿组合式、履带式组合的机器人越障分析研究方面。然而 抛弃了轮式行走机构的方法便意味着行走效率的降低以及机器人本体的复杂化。 为了能在行走速度和越障能力方面达到较好的平衡，本课题选择一种类似于 轮子的异形轮作为行走机构，通过选取适当的轮子数量，组合起来。提出相应的 基于异形轮组合的小型机器人平台的架构、越障行走方式以及控制方法，从理论 上分析其越障性能的可行性，并用具体实验来加以验证。 1．2越障机器人概述 国内外关于机器人的定义和分类各有一些不同，国际标准化组织采纳了美国 机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不 同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统”。机器人的分类有很多 种，中国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和 特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器 人。而特种机器人则是除工业机器人之外的且用于非制造业并服务于人类的各种 先进机器人，其中包括：军用机器人、水下机器人、娱乐机器人、服务机器人、 农业机器人等。国际上的一些机器人学者也是从应用环境出发将机器人分为两类：
西南大学硕士学位论文 制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，大体上可以看 作和中国学者的分类一致。然而其中大部分的机器人都属于移动机器人的范畴， 即机器人需要有自己特有的移动执行机构或行走单元，从而在自己的作业空间范 围内移动位置。对于那些在野外复杂地形或灾害现场的杂乱地形等非结构化环境 下工作的机器人，其越障性能具有一定的性能要求，例如军用侦察机器人、救援 救灾机器人、矿井救援侦测机器人、空中机器人（无人机）等。空中机器人不需 要考虑地形的复杂度，凭借旋翼或者滑翔翼的转动在空中飞行，随着科技的发展 越来越多地应用于实际生活中，如航拍、救灾侦测、喷洒农药、派送快件等。澳 大利亚Flirtey公司的Flirtey无人机送快递业务已经进入商用阶段，如图1-1所示， 这种无人机的飞行高度可达122米，并没有配备摄像头，采用激光测距和声纳等 独特的躲避碰撞技术来避开鸟类和建筑物（或者其他异物等），该无人机可以携带 重约2Kg的物品。雅安地震后，中国地震应急搜救中心救援队首次采用三款国产 救援救灾机器人协助展开地震救援工作)，其中一款即图1-2所示的旋翼飞行机器 人，该款机器人在救援过程中具有无需起降场地、随时对地起落的特点，通过超 低空近距离飞行勘察受灾情况、探查生命迹象，并在芦山至宝兴公路疏导中发挥 重要作用。其他的两种有可变形搜救机器人和机器人化生命探测仪参加了废墟表 面的搜索任务，为中国地震应急搜救中心的救援工作和灾情评估提供了数据和图 像参数支撑信息。 图1-1澳洲无人机送快递 图1-2雅安地震搜救飞行机器人 飞行机器人也有它的弊端，如续航时间、负载能力、特殊环境像林地杂草丛 等影响机翼或旋翼工作的地方。因此国内外很多研究学者对地面移动机器人的越 障结构做出很多研究和探索，这些机器人的行走单元分为轮式、腿（或足）式、 履带式、滑撬式、螺旋滚筒式、气囊式等)，其中前三种应用的最为广泛，并且以 2
西南大学硕士学位论文 制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，大体上可以看 作和中国学者的分类一致。然而其中大部分的机器人都属于移动机器人的范畴， 即机器人需要有自己特有的移动执行机构或行走单元，从而在自己的作业空间范 围内移动位置。对于那些在野外复杂地形或灾害现场的杂乱地形等非结构化环境 下工作的机器人，其越障性能具有一定的性能要求，例如军用侦察机器人、救援 救灾机器人、矿井救援侦测机器人、空中机器人(无人机)等。空中机器人不需 要考虑地形的复杂度，凭借旋翼或者滑翔翼的转动在空中飞行，随着科技的发展 越来越多地应用于实际生活中，如航拍、救灾侦测、喷洒农药、派送快件等。澳 大利亚FI．rtey公司的FI．rtey无人机【1]送快递业务已经进入商用阶段，如图1．1所示， 这种无人机的飞行高度可达122米，并没有配备摄像头，采用激光测距和声纳等 独特的躲避碰撞技术来避开鸟类和建筑物(或者其他异物等)，该无人机可以携带 重约2№的物品。雅安地震后，中国地震应急搜救中心救援队首次采用三款国产 救援救灾机器人协助展开地震救援工作【2】，其中一款即图1．2所示的旋翼飞行机器 人，该款机器人在救援过程中具有无需起降场地、随时对地起落的特点，通过超 低空近距离飞行勘察受灾情况、探查生命迹象，并在芦山至宝兴公路疏导中发挥 重要作用。其他的两种有可变形搜救机器人和机器人化生命探测仪参加了废墟表 面的搜索任务，为中国地震应急搜救中心的救援工作和灾情评估提供了数据和图 像参数支撑信息。 图1．1澳洲无人机送快递 图1．2雅安地震搜救飞行机器人 飞行机器人也有它的弊端，如续航时间、负载能力、特殊环境像林地杂草丛 等影响机翼或旋翼工作的地方。因此国内外很多研究学者对地面移动机器人的越 障结构做出很多研究和探索，这些机器人的行走单元分为轮式、腿(或足)式、 履带式、滑撬式、螺旋滚筒式、气囊式等【31，其中前三种应用的最为广泛，并且以 2
第1章绪论 它们为基础的组合形式也较多的被应用在移动机器人越障能力提升的途径中，例 如轮腿式、轮履式、轮腿履式等复合结构形式。轮式机器人由于轮子的圆形几何 特点，在众多越障机器人的行走单元结构的设计选择中一直是首选，轮子的数量 从一个到六个甚至更多的组合形式。 轮式越障机器人的典型代表有：以色列拉斐尔公司为军方研制的“铁钳”四 轮移动机器人作为反恐战场上的排爆机器人用于在运距离摧毁路边炸弹以确保安 全。该公司项目陆战项目主管称，“铁钳”微型机器人装备的摄像机和激光指示 器用来定位和指示目标吗，随后发射一种铅笔大小的燃烧火箭弹，在远距离上烧 毁路边炸弹，如图1-3所示。中国探月工程的月球车玉兔号如图1-4所示，该机器 人采用六轮摇臂式行走结构，该机器人样机设计尺寸为长1.5m,宽1m,高1.1m, 重140Kg,设计爬坡角度为20度，越障高度20cm。运用摇臂式行走结构的经典 轮式机器人是美国的“勇气号”火星车，具有良好的越障性能和地形适应能力如 图1-5所示。国内国防科技大学有一款内部驱动的行星轮系移动机器人)，相对于 普通轮式机器人具有大驱动扭矩和必要时的切换越障高度优势，如图1-6所示。 图13以色列“铁钳” 图14玉兔号月球车 图1-5勇气号火星车 图1-6国防科技大学行星轮机器人 除此之外，还有美国宇航局喷气推进实验室设计的Blueover和Robby机器人， 以及前苏联的月球车Lunokhod1和Lunokhod1,美国的阿波罗系列月球车 Apollo15至17系列，以及火星探测机器人“机遇号”等。 腿或足式越障机器人的典型代表有：由美国Boston Dynamics公司仿造四足动 3
第1章绪论 它们为基础的组合形式也较多的被应用在移动机器人越障能力提升的途径中，例 如轮腿式、轮履式、轮腿履式等复合结构形式。轮式机器人由于轮子的圆形几何 特点，在众多越障机器人的行走单元结构的设计选择中一直是首选，轮子的数量 从一个到六个甚至更多的组合形式。 轮式越障机器人的典型代表有：以色列拉斐尔公司为军方研制的“铁钳”四 轮移动机器人作为反恐战场上的排爆机器人用于在运距离摧毁路边炸弹以确保安 全。该公司项目陆战项目主管称，“铁钳”微型机器人【4l装备的摄像机和激光指示 器用来定位和指示目标吗，随后发射一种铅笔大小的燃烧火箭弹，在远距离上烧 毁路边炸弹，如图1．3所示。中国探月工程的月球车玉兔号如图1．4所示，该机器 人采用六轮摇臂式行走结构，该机器人样机设计尺寸为长1．5m，宽1m，高1．1m， 重140Kg，设计爬坡角度为20度，越障高度20cm。运用摇臂式行走结构的经典 轮式机器人是美国的“勇气号”火星车，具有良好的越障性能和地形适应能力如 图1．5所示。国内国防科技大学有一款内部驱动的行星轮系移动机器人【5】’相对于 普通轮式机器人具有大驱动扭矩和必要时的切换越障高度优势，如图1．6所示。 羹 ”。2i举霉o 。■q‰t 囊 蠢 图1．3以色列“铁钳” 图1-4玉兔号月球车 图1-5勇气号火星车 图1．6国防科技大学行星轮机器人 除此之外，还有美国宇航局喷气推进实验室设计的Blueover和Robby机器人， 以及前苏联的月球车Lunol(hod l和Lunol(hod l，美国的阿波罗系列月球车 Apollol5至17系列，以及火星探测机器人“机遇号”等。 腿或足式越障机器人的典型代表有：由美国Boston Dyn锄ics公司仿造四足动
西南大学硕士学位论文 物狗的运动原理和足腿结构，研发的BgD0g四足机器人如图1-7所示。该款机 器人具有高运动速度、较大的负重能力和非常灵活的机动特性，能够适应山地、 丛林、沼泽、雪地等多种复杂危险的地形，爬坡能力达35度左右，此外，机器人 的姿态调整和平衡稳定性能出众。国内外其他的研究机构也纷纷效仿BgD0g的成 功，以此为模板研制本国的同类产品。同样由Boston Dynamics公司在美国麦吉尔 大学、密歇根大学和加州大学伯克利分校合作研制的仿六足昆虫的机器人Rhex7,] 基础上，设计出其加强版的Rhex六足机器人如图1-8所示。该款机器人可以在石 堆、泥泞、沙地、铁轨道路、草丛、斜坡以及楼梯上自由的行走，具有较强的机 动性和越障攀爬性能。该公司的其他四足腿式机器人如猎豹机器人(Cheetah)[) 图1-9所示、LS3、LittleDog图1-10所示，也是国内外较为出色的产品，双足机 器人如PETMAN、Atlas在保持高速行走时具有非常稳定的平衡性能。 图1-7四足机器人BigDog 图1-8六足机器人Rhex 图l-9 Cheetah猎豹机器人 图1-l0 LittleDog机器人 轮足式越障机器人的代表有：国立台湾大学研制的轮腿混合式移动机器人 Quarttroped,如图l-11所示，该机器人采用半圆形的轮圈作为轮腿两用型的行走 单元结构，可以进行整圆和半圆之间的切换，从而在平整路面上高效地用轮式
西南大学硕士学位论文 物狗的运动原理和足腿结构，研发的BigDog四足机器人【6】如图1。7所示。该款机 器人具有高运动速度、较大的负重能力和非常灵活的机动特性，能够适应山地、 丛林、沼泽、雪地等多种复杂危险的地形，爬坡能力达35度左右，此外，机器人 的姿态调整和平衡稳定性能出众。国内外其他的研究机构也纷纷效仿BigDog的成 功，以此为模板研制本国的同类产品。同样由Boston Dyn锄ics公司在美国麦吉尔 大学、密歇根大学和加州大学伯克利分校合作研制的仿六足昆虫的机器人Imex【7岿J 基础上，设计出其加强版的l孙ex六足机器人如图1．8所示。该款机器人可以在石 堆、泥泞、沙地、铁轨道路、草丛、斜坡以及楼梯上自由的行走，具有较强的机 动性和越障攀爬性能。该公司的其他四足腿式机器人如猎豹机器人(Cheetah)例 图1．9所示、LS3、LittleDog图1．10所示，也是国内外较为出色的产品，双足机 器人如PETMAN、Atlas在保持高速行走时具有非常稳定的平衡性能。 图l。7四足机器人BigDog 鬻j搿’鬻l箨熬罄 … Ⅵ。 图1．8六足机器人Rhex 图1．9 Che鲍lll猎豹机器人 图1．10 Li牡leDog机器人 轮足式越障机器人的代表有：国立台湾大学研制的轮腿混合式移动机器人 Quarttroped，如图1．1l所示，该机器人采用半圆形的轮圈作为轮腿两用型的行走 单元结构，可以进行整圆和半圆之间的切换，从而在平整路面上高效地用轮式