一种轮式移动机器人实时速度估计方法

环境和机器人自身的不确定性影响轮式移动机器人的轨迹跟踪控制性能,此时仅仅使用里程计往往不能正确表达机器人的状态信息。在无速度传感器的情况下,讨论了使用加速度传感器和位置传感器的输出实时估计轮式移动机器人的速度。首先使用滑模观测器进行里程计信号处理,然后对车体加速度信号进行带通滤波提取车体扰动信息,通过频域融合信号表达轮式移动机器人的速度,并针对正交轮式全方位移动机器人进行了轨迹跟踪控制研究。试验结果表明采用融合数据可以更准确提供机器人的状态信息并得到更好的控制性能。

可重构星球探测机器人的机构设计

基于可重构思想设计了一种可重构星球探测机器人系统。系统由一个母体和几个子机器人组成,其中子机 器人包括车轮和手臂两部分,可以作为独立作业的机器人,具有移动状态和工作状态两种模式。子机器人具有在 一个驱动力作用下处于不同约束环境中时,表现为不同形式输出的特点,容易实现两种模式下的灵活运动。并深 入研究了机构参数对子机器人运动的影响,用试验和仿真进行了验证,这为机器人的参数化设计及运动中的参数 化调整提供了重要的理论依据。

链式可重构机器人单模块结构设计与运动实验

提出了一种新型模块化链式移动机器人机构,它具有可重构、自动变形的特点。单个标准模块主要由中间通孔式连接手臂、履带驱动链传动装置、模块偏转锥齿轮传动装置、模块俯仰链传动装置、连接柄等组成。模块间由偏转关节、连接柄、连接臂和仰俯关节进行连接组合。为提高单个模块的机动性和实现运动自主功能,对标准模块进行了适当改进,单模块机器人采用了履带、轮、臂、腿组合的移动机构,具有三维空间的运动能力。最后对单模块机器人样机在垂直壁障碍、平地支腿、平地转弯、斜坡、楼梯等情况下的运动能力进行了实验,为进一步实现多模块机器人的自重构和环境应用打下了基础。

可重构星球探测机器人的空间对接研究

提出了以改装后的位置敏感传感器来引导机器人完成自动对接的方法,分析了具体工作原理。对可重构星球探测机器人在运动模式下完成对接的两种姿态进行了比较,分别用一般方法和改进后的规划方法计算出了对接工作空间,比较结果说明,机器人在运动模式下三角边着地有利于完成自动对接。对工作模式机器人在工作空间内的运动进行了静力学分析,分析结果表明,机器人在工作空间内可以自由运动。用VC和OpenGL搭建的平台对空间对接进行了仿真试验,试验结果验证了对接工作空间计算的正确性和完成空间自动对接的可能性。

一类轮式机器人的水平姿势控制

本文介绍了一类轮式机器人的结构及其水平姿势控制方案,给出了控制系统的硬件组成、软件框图。

轮式移动宜人机器人技术研究

轮式移动宜人机器人项目研究的主要目的是开发自主式仿人机器人样机 ,探索先进的机器人理论和技术。轮式移动宜人机器人由正交轮式移动平台、腰部、躯干及头部和双臂组成 ,共 2 1个自由度。整体结构包括 :电源系统、机械系统、控制系统和传感系统。电源系统采用车载电池供电。机械系统包括变刚度结构 ,提高了机器人与人交互作业的安全性。控制系统分为中央协调层和执行层结构。传感系统主要实现关节位置检测、姿态检测、力检测和视觉。文章讨论了此机器人的研究进展。

非完整自主车基于圆轨迹的道路避障

本文就四轮非完整自主车提出了一种基于圆轨迹的道路避障策略。先将道路上的障碍按照障碍距离自主车的远近划分层次,使一个层次的障碍能在自主车视场中全部出现。然后给出基于圆轨迹的避障算法,即自主车沿由自主车出发位姿和子目标点确定的圆弧轨迹走行。在此之前推导四轮非完整车的运动模型为提出避障策略的基础准备。尽量减小自主车在走行过程中运动状态的改变,基于圆轨迹避障策略能够很好地满足这一要求。最后引入代价函数,给出对于此方法的评价,体现了本方法的优越性。

轮式仿人机器人动态稳定性分析及腰部控制研究

仿人机器人研究从仿生学角度具有拟人功能的智能机器人，它需要结合机构、控制、传感和材料等技术。随着社会经济与科技水平的发展，使仿人机器人引入人类环境，与人类一同工作、合作和交互成为可能，仿人机器人的研究也成为当今机器人研究中的热点内容之一。本论文以中科院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室承担的国家863计划“十五”项目——“宜人化双臂操作型服务机器人”为依托，以本项目中的轮式仿人机器人为研究对象。本论文的主要内容包括：对项目样机中的差动腰部机构的运动学、动力学建模，腰部机构基于运动学的控制算法及实验研究；仿人机器人的整体动力学建模，基于动力学模型的腰部机构控制算法与仿真研究；依据零力矩点(ZMP)理论完成轮式仿人机器人的ZMP建模及其动态稳定性的深入分析。人类的腰部具有高度的灵活性、柔韧性，是人体系统运动的调节中枢。仿人机器人的腰部机构同样应具有调节系统平衡、协调系统运动的作用。本文中仿人机器人的腰部采用新颖的差动并联驱动的腰部机构。本文建立了该机构的运动学和动力学模型，采用分解运动速度控制实现了差动腰部机构的运动学控制，并进行了实验研究。仿人机器人是一个多自由度、非线性、具有复杂运动学、动力学特性的多刚体系统。本文在合理简化的基础上，利用高效牛顿－欧拉动力学建模方法完成了本轮式仿人机器人的整体动力学建模，分析了各关节间的动力学影响，并在此基础上给出了仿人机器人腰部机构动力学模型，该模型考虑了车体、手臂运动及手部外负载的动力学影响。本文还对基于动力学模型的腰部机构带计算力矩补偿的PD伺服控制与腰部机构基于运动学的PD伺服控制进行了仿真比较研究，仿真结果表明，基于动力学模型的腰部机构计算力矩控制算法能有效地提高腰部机构的位姿跟踪精度。本轮式仿人机器人移动性好，但支撑点少，上身重量偏大，它的动态稳定性成为不容忽视的问题。零力矩点理论是用于判定机械系统动态平衡的经典理论，至今仍被广泛应用。本文基于零力矩点概念，结合机器人的高效牛顿－欧拉动力学模型，建立了仿人机器人的基于车体坐标系的迭代ZMP计算模型，该模型考虑了机器人关节的质量、惯量等参数，包含了惯性力、离心力、重力等对ZMP的影响。经分析可知，腰部机构的运动模式和车体运动加速度是影响ZMP的主要因素，进而给出了ZMP的简化计算模型，依据该简化模型，本文深入讨论了腰部机构与车体的协调运动和轮式仿人机器人的动态稳定性之间的关系，为考虑机器人动态稳定性的腰部机构运动规划及仿人机器人的动态稳定性控制奠定了基础。

可重构轮手一体机器人的控制及群体构形研究

可重构机器人顺应从结构环境下定点作业向非结构环境下自主作业的发展要求，能够更好的应用到环境复杂、危险性高、人类无法进入的场合完成作业。可重构机器人技术的发展拓展了机器人的应用空间，使其在星球探测、灾难救援、军事领域等方面均有良好的应用前景。因此，可重构和模块化机器人系统的研究成为机器人研究领域的热点问题。本论文的研究内容是围绕“863”计划项目“可重构星球探测机器人的研究”展开的。立足于可重构和模块化中的关键技术，针对一种新型可重构轮手一体机器人的控制及其群体构形理论进行深入的研究。研究内容主要包括模块化分布式控制系统、机器人群体体系结构、群体构形的表达和变换、构形重构优化和构形运动规划等。为了实现可重构轮手一体机器人的多关节机械臂、手爪、轮体的协调作业，实现控制的独立性、实时性，提出基于分布式控制器和CAN总线的模块化控制结构。以功能为划分依据，将控制系统分解成具有不同功能、由独立控制器执行的模块化子系统；采用分布式控制方法，使各子系统独立、同步地执行对应任务。在规划控制子系统和运算子系统中（即两个独立的控制器中）分别执行正向运动学运算和逆向运动学运算，实现轨迹规划的分布式计算。对不同控制结构和控制方法中的系统时序进行分析和对比，结果表明模块化分布式控制结构和分布式计算方法在系统执行时间方面具有性能优势。通过仿真系统和功能样机实验对模块化分布式控制系统和分布式控制方法进行验证。针对可重构轮手一体机器人群体中存在单个机器人和构形两种运动单元的特点，提出具有动态层次结构、融合构形控制和协作控制的体系结构，具有层次动态化与控制功能模块化的特性。以控制目标为依据，将体系结构分为三层：群体控制层、构形控制层和模块控制层。根据群体系统中作为控制目标的运动单元的形式，动态地改变层次结构及其功能，实现构形控制、多机器人协作控制、机器人运动独立控制。针对可重构机器人重构目的，提出矢量构形概念，将构形研究内容扩展到不但包括构形的拓扑结构，也包含构形的运动趋势方向和组成构形的各模块的姿态方位及连接关系。针对现有构形表达方法对可重构轮手一体机器人这类独立操作型模块、模块间具有多关节连杆的可重构机器人构形表达的局限性，创新性地提出基于模块状态向量MSV（Module State Vector）和构形状态矩阵CSM（Configuration State Matrix）方法，实现该类可重构机器人构形的表达和变换。模块状态向量和构形状态矩阵中每个值都对应机器人模块或群体构形的某种状态信息，具有无冗余数据、所需存储空间较小等特点。并且这种方法支持变换运算和操作，根据变换规则和数学变换可以表达、触发模块的行为运动和构形的重构。根据重构对象的初始状态，将构形重构分成组合重构和变换重构两类。基于模块状态向量和构形状态矩阵，提出以工作负荷为优化目标的构形组合重构优化算法、以姿态方位工作负荷和连接工作负荷的组合为优化目标的变换重构优化算法，通过重构优化结果获得模块在构形重构中状态对应变换关系，作为构形重构规划的基础。针对构形重构中的模块状态变换，提出基于最小能耗的模块机械臂关节运动顺序规划方法，通过机械臂转动的能量损耗计算，选择能量功耗最低时的机械臂关节运动顺序作为规划结果。提出融合时序关系的行为树，采用改进深度优先搜索算法遍历行为树获得构形运动或重构的行为运动序列和时序关系；构建语义逻辑系统实现参数化的构形运动行为及其时序的描述。采用仿真计算和机器人仿真系统对机器人重构和运动的优化、规划方法进行演示和验证。

被动柔顺式月面巡视探测器轮-地交互及运动控制研究

月面巡视探测器（简称月球车）是一类在月面环境下执行巡视探测、科学考察及样品采样等任务的空间机器人，是我国月球探测二期工程中执行月面探测任务的关键载体。月球车行走能力事关我国探月二期工程的成败，开展在复杂地形下移动能力和地形通过能力的研究，是目前移动机器人研究中的前沿课题，是月面巡视任务的关键技术之一。本论文的选题具有重要的理论意义和应用价值。 月面环境的特殊性使月球车进行长距离、大范围的巡视任务面临一系列问题，包括地形对月球车移动性的影响、移动能力、地形通过能力、地形适应能力、安全性等。本文以月球车保持复杂地形下的高移动能力和地形通过能力为研究目标，以一种典型的被动柔顺式月球车为对象，从月球车与环境地形具有整体不可分离性的角度，将机器人与环境地形看成是相互作用的整体，深入研究了轮-地交互关系、软硬地形上的轮-地接触模型、环境地形给月球车带来的影响、软硬地形上的月球车建模、参数估计及运动控制等问题。根据对月球车移动性能影响程度之不同，本文从硬质地形与松软地形两个方面来考察环境地形的物理属性和轮-地交互关系。在硬质地形上，主要考虑地形平坦与不平坦对机器人移动的影响及其控制，六个驱动轮的速度协调控制，车轮打滑（前滑、侧滑、转向滑移）对机器人的建模、分析及控制的影响。在松软地形上，主要考虑轮-地接触关系，土壤特性对移动的影响及其控制。在大量阅读国内外文献并归纳总结的基础上，重点开展了如下几方面的研究： （1）在硬质不平坦地形下，引入轮-地几何接触角概念以反映地形不平坦时轮-地接触点在轮缘上位置的变化，去掉了通常采用的车轮纯滚动假设，考虑车轮滑移（包括侧滑、侧滑以及转向滑移），并结合月球车被动柔顺式移动机构的特点，提出了一种基于速度闭链的运动学建模方法，进行了基于整车模型的月球车速度协调控制研究。该运动学建模方法基于轮心处的速度投影建立整体运动学模型，物理概念清晰、便于实时运动学正反解计算。 （2）针对运动学模型中轮-地几何接触角难以直接测量的问题，提出了两种在线估计方法：误差计算法和卡尔曼滤波估计法。这两种方法均基于月球车整体运动学模型，只需要车轮内部传感器的测量信息，就能在线估计轮-地几何接触角。 （3）由于车轮滑移的影响，采用航位推算方法进行月球车状态估计以及里程计计算存在较大误差。本文提出了基于整体运动学模型的车体运动状态估计方法，并在月球车样机上对车体速度估计、航向角估计、里程计实时计算等方法进行了大量实验研究，验证了算法的有效性。 （4）针对松软地形上刚性轮与地形的交互建模问题，提出了一种基于Guass-Legendre数值积分和Newton-Raphson数值解法的地形参数实时估计方法。以月壤参数的变化范围为参考空间，通过数值仿真将不同地形参数对轮-地接触力的影响进行比较，进而选取对轮-地接触力有较大影响的地形参数进行在线估计，仿真和实验结果均表明估计算法是有效的。 （5）松软地形上常规的速度控制效果差，本文开展了月球车准静力学建模及牵引力控制算法研究，提出了两种牵引力控制算法。对月球车准静力学模型进行简化，提出了一种基于目标优化、考虑车体姿态变化的牵引力控制算法。利用上一章在线估计出的地形参数，对车轮滑移率进行最优估计，提出了一种基于最优滑移率的牵引力控制算法，并进行了仿真验证。

轮足复合式微小型爬壁机器人机构与控制研究

本文以反恐侦查为应用背景，以国家“863”计划支持项目 “微小型爬壁机器人系统样机的研制” （编号：2005AA420230）为依托，在两足尺蠖式微小型爬壁机器人研究的基础上，针对微小型爬壁机器人的机构与控制的难点问题，提出了新型的爬壁机器人机构并设计了机器人的硬件控制系统。本文主要包括以下五方面的研究工作：1.提出了一种新型的轮足复合式爬壁机器人机构，对机器人的机构进行了分析与综合；2.推导了机器人的运动学方程，分析了机器人的移动与越障机理，仿真分析了机器人的移动与越障性能；3.针对控制系统功能模块化的要求，设计了基于DSP与CPLD的硬件控制系统；4. CPLD的硬件逻辑功能设计，实现了控制系统软件功能的硬件化；5. 轮足复合式爬壁机器人系统样机的实验研究。 一、在腿足式和轮式爬壁机器人研究的基础上，基于行星轮系运动及双足真空吸附原理，提出了一种新型轮足复合式爬壁机器人机构；针对机器人功能要求，对机器人的机构进行了设计与分析研究，机器人的运动关节采用非对称设计，将运动与姿态调整复合，减少了运动关节数，结构紧凑。 二、基于D-H坐标变换方法对机器人的运动学特性进行了分析，在此基础上分析了机器人的移动及越障机理，即直线行走、平面旋转和交叉壁面的跨越分析；分析了外角交叉面跨越过程中机器人距离交叉面的安全距离参数范围；仿真分析比较了本文提出的新型轮足复合式爬壁机器人与两足尺蠖式爬壁机器人的运动性能和越障能力。 三、针对机器人控制系统功能的模块化难点问题，设计了基于DSP与CPLD的硬件控制系统；利用CPLD中的硬件逻辑模块可重复调用的优点，方便的实现控制系统功能的扩展，实现了控制系统硬件设计的模块化；CPLD用户自定I/O引脚的功能，有利于提高控制系统硬件设计的灵活性。 四、分析了DSP采样查询方式的系统功能扩展DSP资源占用率高的问题，将原来由软件实现的功能改为在CPLD中由硬件实现，降低了DSP的资源占有率，提高了控制系统的稳定性，实现了控制系统软件功能的硬件化。 五、以新型了轮足复合式爬壁机人样机为实验平台，验证机器人移动与越障机理的理论分析与仿真分析正确性，控制系统的稳定性，以及无线通讯和图像传输的可靠性。 关键词 爬壁机器人；行星轮系；真空吸附；嵌入式控制系统

多轮腿复合移动机器人控制系统的设计与实现

轮腿复合移动机器人是具有高机动高通过能力、感知能力和自主行为能力的地面移动系统，它能搭载多种载荷，进行快速机动部署，可遥控、半自主、甚至全自主地完成使命。研究轮腿复合移动机器人的根本意义在于其可以在超出人类承受极限的复杂和危险环境中代替人类完成目标作业任务。 本文针对移动机器人的运动控制进行了详细的论述，主要内容包括(1)机器人机构尺寸综合；(2)轮腿复合移动机器人的运动特性分析；(3)远程监控系统的设计；(4)机器人控制系统的设计。 通过分析轮腿复合移动机构运动机理，给出了移动机器人的机构尺寸综合。在移动机器人的运动特性方面，提出了构型在线优化、轮腿运动协调控制算法，并在实验样机对上述优化算法和控制算法进行了实验验证，实验结果表明，构型优化算法和轮腿协调算法在机器人通过典型地形障碍物时是有效的。在远程监控系统分析设计中，对控制系统的远程遥控端硬件搭建及软件设计过程进行了详细的阐述。在机器人控制系统的研究方面，首先介绍了系统的硬件组成；其次依据机器人系统的功能要求，提出选用QNX实时多任务操作系统作为控制系统的操作系统，并对其特性进行了详细的论述；最后在实时多任务操作系统下完成了控制系统的软件设计。 本论文的研究为多轮腿移动机器人的系统设计和研发提供了理论依据和技术支持。

两栖机器人轮桨腿驱动机构多目标优化设计

提出了一种既能够在陆地上爬行,又能够在一定深度的水下浮游和在海底爬行的新概念轮桨腿一体化两栖机器人;多运动模式和复合移动机构是该机器人的突出特点.分析了轮桨腿复合式驱动机构的运动机理,并采用多目标优化设计理论和算法,对驱动机构的爬行性能和浮游特性进行了综合优化,得到了两栖机器人驱动机构的结构优化参数.虚拟样机的仿真结果证明了该轮桨腿一体化两栖机器人驱动机构的综合运动性能良好,对非结构环境具有一定的适应能力。

轮桨腿一体两栖机器人爬行步态规划研究

爬行运动为轮桨腿一体两栖机器人基本运动模式之一。以机器人爬行运动为研究对象，分析了两栖机器人爬行运动机理，并建立了其典型驱动单元的运动学模型；根据机器人不同爬行运动状态，提出了基于轮桨和足板不同步态形式的运动规划策略；采用虚拟样机技术，对不同爬行状态下的步态规划效果进行了仿真试验分析和验证。试验结果表明，在规划的步态下，轮桨腿一体两栖机器人具有良好的爬行稳定性、转向机动性和越障能力。

轮桨腿一体化两栖机器人控制系统设计

为满足轮桨腿一体化两栖机器人控制系统各模块间信息交换的实时性、灵活性、可扩展性和可靠性的要求,将CAN总线应用于轮桨腿一体化两栖机器人控制系统中。从硬件和软件两方面,介绍了CAN总线在轮桨腿一体化两栖机器人中的应用方案,设计了基于ARM7处理器的CAN总线控制节点,提出了适用于两栖机器人的CAN总线应用层协议方案。