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。

轮桨腿一体化两栖机器人控制系统研究与设计

轮桨腿一体化两栖机器人是一种既可以在陆地、滩涂、海底爬行，又可以在极浅水海域浮游的特种机器人。其研究与开发，对海洋环境调查、滩涂沼泽研究取样、军事两栖探雷与灭雷以及水下传感网络等都具有重要意义。这种新型两栖机器人作业环境复杂、运动模式多样，其运行机理、控制策略和建模方法等关键技术与传统的陆地或水下机器人有所不同。轮桨腿一体化两栖机器人控制系统的研究与设计，对轮桨腿一体化两栖机器人样机的实现及各项关键技术的进一步研究具有重要意义。 本文以轮桨腿一体化两栖机器人样机功能实现为目的，针对机器人载体具有的模块化、可重构和可扩展等特性，采用开放式设计思想，对控制系统软、硬件进行开放式设计。硬件上，采用基于CAN总线的分布式控制系统，便于实现功能节点的扩展，并且采用片内集成CAN控制器的ARM处理器，便于实现与CAN总线接口且具有较低的功耗。软件上，控制软件建立在μC/OS-II嵌入式实时操作系统之上，采用分层和模块化结构，以实现软件系统的开放性。同时，针对机器人载体空间狭小、难以布置下外购电机驱动器的特点，自行设计了体积较小且驱动能力较强的专用电机驱动电路。 第1章简要介绍研究的目的和意义后，分别对两栖机器人和机器人控制系统的国内外研究现状进行了综述。第2章介绍了轮桨腿一体化两栖机器人的系统组成，包括外形结构、硬件系统结构和软件系统结构，并结合两栖机器人自身特点，介绍了其运动控制方式。第3章对轮桨腿一体化两栖机器人的硬件系统进行了研究和设计，包括节点处理器选择、主控制节点设计、CAN数据总线接口电路设计、电机驱动节点设计、故障诊断及传感器节点设计、系统电源管理方案设计六个部分。第4章针对轮桨腿一体化两栖机器人的特殊需求，制定了CAN总线应用层协议，并采用嵌入式实时操作系统进行了通信软件和电机驱动软件的设计。第5章设计了控制系统在系统编程(ISP)方案。第6章对所设计的控制系统进行了实验验证。 实验平台的测试表明，本文设计的控制系统能够可靠、稳定工作；控制系统和控制方法的设计与实现是正确并且有效的。控制系统软硬件的设计对轮桨腿一体化两栖机器人样机的实现和各项关键技术的研究奠定了良好的基础。

两栖机器人轮桨腿驱动装置研究

两栖机器人是一种能在陆上和水下环境作业的特种机器人，发展两栖机器人技术对我国发展海洋技术、近海以及甚浅海技术有前瞻性的战略意义。两栖机器人具备在极浅水、碎浪带和海滩区域作业的能力，可以满足调查、监测以及军事领域的探雷、扫雷等方面的应用需求。开发具有环境适应能力的两栖机器人对于民用和军用都有较强的现实意义。 本文综合在水中爬行和浮游特性和陆地上常用的机器人移动方式和运动特点，提出了轮桨一体化的新型复合移动机构，极大的改善两栖机器人对非结构环境的适应能力。轮桨驱动装置巧妙地将水下机器人最常用的螺旋桨推进器与陆地爬行机器人驱动轮结合为一体，实现了多种运动模式自动切换，从而增强了机器人的运动能力，使其既可以在陆地、滩涂、海底爬行，又可以在极浅水海域浮游。 在两栖机器人轮桨设计的初级阶段，采用国际上流行的多学科优化方法、从系统的整体工作环境、性能要求出发，运用多学科综合优化策略，充分考虑涉及到的多个学科的性能指标参数范围，以实现两栖轮桨流体力学和结构力学等学科在多学科综合优化流程框架内的优化设计。在两栖轮桨参数优化的基础上，运用Isight计算平台分别计算了基本型轮桨、开式轮桨和闭式轮桨水动力特性，并对三者的性能进行了对比。利用虚拟样机技术开发了基于陆地环境下两栖机器人的虚拟仿真平台，利用该平台可以和Matlab设计两栖机器人控制系统，从而研究两栖机器人的越障、避障能力。最后，本文完成了两栖轮桨驱动装置结构设计。

机器人化三腿磨削机床的研制

以钢坯修磨为实用目的研制的一台机器人化三腿机床，具有刚度大、负载能力强、机构简单、工作空间大、无运动耦合及奇异位形等优点，首次解决了钢坯局部修磨自动化问题，配以其它加工执行器还可实现多种工艺要求。建立了该机床的运动学逆、正解方程，对其工作空间和受力分析进行了介绍，并介绍了局部修磨自动化控制系统

基于修正的最小均方误差分类算法的移动机器人运动规划

研究了不确定性环境下移动机器人躲避运动轨迹未知的移动障碍物的一种新方法．通过实时最小均方误差估计算法预测每个障碍物的位置及运动轨迹，并利用模式识别中最小均方误差分类器的修正模型计算出机器人的局部避障路径，再运用船舶导航中使用的操纵盘技术来确定每个导航周期中移动机器人的速．度仿真结果表明了该方法的可行性

最优控制具有非完整性的两轮驱动机器人小车

研究了移动机器人反馈控制问题．这里所考虑的机器人是一个两轮驱动的具有非完整性的移动机器人小车．考虑了笛卡儿空间中轨线跟踪问题的扩展．且表明只要参考小车保持运动，在虚设的参考小车位形周围的小车位形的稳定成为可能．提出了最优控制律并给出了仿真结果。

履带式移动机器人行动规划技术的研究

本文以８６３－５１２型号项目为背景，从运动特性、运动描述、运动控制以及运动规划等几个方面研究履带式移动机器人的行动规划技术；首先从理论上分析了履带式移动机器人的内在运动传递机理，指出了其区别于轮式移动载体的独特的运动特性，尤其是在其转向特性方面，得出了履带式移动机器人运动角速度几乎不可控原理、原地转弯转不准问题、以及履带式车辆行动规划时所要遵循的规则等重要结论，针对履带式移动机器人的纵向运动控制问题，讨论了其速度控制模型，提出了一种速度测量与控制的简单、准确、可靠的方法。在磺向运动方面，提出了一种基于ＦＭ－ＬＩＫＥ和ＡＭ－ＬＩＫＥ相结合的复合控制技术，解决了难度较大的方向控制问题。最后提供了实验结果，证明了上述方法与结论的正确性。上述方法与结论，作为８６３－５１２某型号任务的一部分，业已通过验收。

基于滑转率的六轮纵列式月球车驱动控制研究

基于车轮滑转率和车轮地面力学,研究了月球车在松软月面行驶时的车轮过度下陷问题.将月球车车轮下陷和车轮—土壤作用力表达为车轮滑转率的函数,结合车辆地面力学理论并考虑纵列式车轮多通过性土壤参数的修正,建立了月球车的动力学模型.判断车轮是否发生过度下陷的标准为土壤所提供给驱动轮的土壤推力能否克服土壤对车轮的阻力.利用建立的动力学模型,计算出能够保证车轮不会过度下陷的期望滑转率.考虑到月球车动力学系统的非线性和不确定性,设计了以车轮滑转率为状态变量的滑模驱动控制器.仿真结果表明,采用该控制器可以较快地跟踪期望滑转率,避免车轮的过度滑转下陷,保证月球车能够在软质路面上正常行驶.

滑转率对月球车车轮驱动力学特性的影响分析

应用车辆地面力学理论研究滑转率对月球车车轮挂钩牵引力、驱动效率以及功率消耗的影响。建立刚性车轮与松软月壤交互作用的动力学模型。通过实例对月球车车轮驱动动力学特性进行仿真分析。研究结果表明,车轮的挂钩牵引力、驱动效率以及驱动能耗均受到车轮滑转率的制约。存在一个最优的滑转率区间,在此区间内车轮可获得较大的挂钩牵引力、较高的驱动效率以及较低的驱动能耗。求取轮、地相对速度,对月球车车轮的地面摩擦力功率进行了估算。