百變行者--輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)底盤平臺

百變行者--輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)底盤平臺

簡介：

通過輪腿式載運平臺的設(shè)計，可以大大改善目前的裝備運輸平臺不能滿足戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜化對多適應(yīng)性作戰(zhàn)平臺的需求，提升我軍在多種復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的有效戰(zhàn)斗載荷，提升部隊綜合戰(zhàn)斗力；在民用方面，可以有效克服復(fù)雜環(huán)境下的運輸，探測等傳統(tǒng)性難題，為新一代智能化多適應(yīng)性機器人的開發(fā)提供新的思考。

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詳細(xì)介紹：

當(dāng)前我軍作戰(zhàn)樣式日趨多樣化，輪式載運平臺無法適應(yīng)復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境的矛盾日益突出，腿式載運平臺的機動性又無法滿足機動性需求。在此背景下我們設(shè)計了該款基于輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)的多適應(yīng)性作戰(zhàn)平臺原型。在輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)之上，平臺采用零力矩點（ZMP）理論行走控制算法進行步態(tài)規(guī)劃，通過Matlab圖形化界面對平臺進行有效控制，結(jié)合運動模態(tài)切換，使之對各類環(huán)境具有全面的適應(yīng)性。作為該平臺實現(xiàn)了輪式模態(tài)的前進、后退、轉(zhuǎn)向，腿式模態(tài)的前進、后退、轉(zhuǎn)向，輪式、腿式模態(tài)轉(zhuǎn)換以及一定環(huán)境下的越障等功能。 此原型經(jīng)過改造和升級可以搭載檢測和武器裝置，成為真正意義上的多適應(yīng)性載運平臺，技術(shù)成熟之后，將成為軍民兩用的典范。例如，野戰(zhàn)環(huán)境中，無論是平坦大路還是連綿丘陵，平臺都可以滿足作戰(zhàn)需求，大型化可以作為多功能載運平臺，小型化可以作為無人探測武器。搭載救護設(shè)備后，可以作為救援運輸機器人，廣泛運用于復(fù)雜環(huán)境下的搜救工作等。

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

一、基本思路 1、問題提出 當(dāng)前地面平臺多采用輪式，這與輪式平臺結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、速度快等特點分不開，但輪式平臺也存在對路面要求較高，越障能力較弱的突出缺點。 2、問題解決 （1）我們提出了一種新型的輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)。 （2）使用零力矩點軌跡規(guī)劃的步態(tài)控制方法。 （3）我們將實現(xiàn)平臺的運動模態(tài)的無擾切換，適應(yīng)不同的戰(zhàn)場環(huán)境。 二、創(chuàng)新點 本作品的創(chuàng)新點主要包括： 1、新型輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計。 2、實現(xiàn)輪式、腿式和輪腿混合式的運動模態(tài)，滿足對多適應(yīng)性載運平臺的需求。 3、針對不同環(huán)境實現(xiàn)連續(xù)無擾的運動模態(tài)切換。采取常規(guī)機器人無法實現(xiàn)的完全混合運動模態(tài)，可以實現(xiàn)四肢的輪腿結(jié)構(gòu)的任意組合。 三、技術(shù)關(guān)鍵點和主要技術(shù)指標(biāo) 1、四足機器人的步態(tài)規(guī)劃技術(shù)與四足協(xié)調(diào)控制技術(shù) 2、無線傳輸?shù)膶崿F(xiàn)，圖像無線采集 3、智能舵機控制的學(xué)習(xí)和開發(fā) 4、創(chuàng)造性的結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真 5、場景構(gòu)建與路徑規(guī)劃 四、技術(shù)指標(biāo) 輪式運動模態(tài)的前進、后退、轉(zhuǎn)向、原地轉(zhuǎn)向；腿式運動模態(tài)的前進、后退、原地轉(zhuǎn)向、障礙穿越；混合運動模態(tài)的展示等。

科學(xué)性、先進性

一、針對輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計 我們提出了一種新型的輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)，平臺中車輪位于小腿中部，這樣利用腿式機構(gòu)的可折疊性，在輪式運動過程中，腿部機構(gòu)和車體連接為一體，而當(dāng)采用四足步行移動方式時，車輪又作為腿部機構(gòu)的一部分，兩種模態(tài)相互之間不發(fā)生干擾，充分發(fā)揮輪式移動和腿式移動方式各自的優(yōu)點，避免各自的缺點。模態(tài)之間的切換是利用腿部機構(gòu)的彎曲運動，避免了另外設(shè)計專用的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，減少了轉(zhuǎn)換時間。 二、針對運動控制系統(tǒng)設(shè)計和步態(tài)規(guī)劃 使用零力矩點軌跡規(guī)劃的步態(tài)控制方法。該方法由于有效地使用了基于模型的步態(tài)控制方法，降低了采用動力學(xué)規(guī)劃方法的計算復(fù)雜度，滿足了算法實時性的要求。 三、針對多模態(tài)切換控制問題 模態(tài)切換在初期采用有線控制器，到達指定位置后，采用手動下達切換指令，實現(xiàn)模態(tài)的切換。到后期技術(shù)成熟，我們可以采用組件中的Zigbee無線通信模塊嘗試實現(xiàn)模態(tài)的無線遙控,并嘗試加載傳感裝置通過模式識別來區(qū)分結(jié)構(gòu)化環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，實現(xiàn)運動模態(tài)的自動切換。

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測

一、技術(shù)特點及優(yōu)勢 1）提出和實現(xiàn)了新式的輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)。 2）基于零力矩點算法的步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)設(shè)計，基本實現(xiàn)了平臺的穩(wěn)定控制。 3）無擾的模態(tài)切換，使平臺能夠滿足多功能作戰(zhàn)平臺的需求。 二、推廣前景及市場分析 該多適應(yīng)性載運平臺原經(jīng)過改造和升級不僅可以搭載更多的檢測和武器裝置，實現(xiàn)其真正意義上的多適應(yīng)性多功能載運平臺功能。極大滿足日趨復(fù)雜化的戰(zhàn)場和搜救環(huán)境對多功能載運平臺的需求。例如，野戰(zhàn)環(huán)境中，目前的作戰(zhàn)平臺只能在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下才能提供有效的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)支撐，而我們的多適應(yīng)性作戰(zhàn)平臺升級后能夠在不同的環(huán)境下自由切換運動模態(tài)，無論是平坦大路還是連綿丘陵都可以滿足作戰(zhàn)需求。除此之外，在搭載探測和必要的救護設(shè)備后，亦可以作為救援運輸機器人，廣泛運用于復(fù)雜環(huán)境的搜救工作。 綜上所述，該作品經(jīng)過升級后可以廣泛應(yīng)用于軍事和日常生產(chǎn)生活中，具有成本低、效率高、易操作等優(yōu)點。

同類課題研究水平概述

一、國外同類課題研究水平概述 近年來美國研制的Bigdog是腿式地面平臺的典范之作，其精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計、卓越的控制性能、超強的負(fù)載能力展現(xiàn)出廣闊的軍事應(yīng)用前景。履帶式移動系統(tǒng)具有較好的越野能力，結(jié)構(gòu)緊湊，動載荷小，適用于多種地形，尤其是松軟易沉陷環(huán)境，但過高的自重以及由此導(dǎo)致的高能耗限制了它的推廣應(yīng)用。 輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)地面無人平臺的基本思想是地面無人平臺的移動系統(tǒng)由輪式與腿式兩套獨立的移動子系統(tǒng)構(gòu)成，其中輪式移動子系統(tǒng)以現(xiàn)有汽車的輪式移動系統(tǒng)為原型，腿式移動子系統(tǒng)以新型的模式化機器人舵機來實現(xiàn)。 二、國內(nèi)同類課題研究水平概述 我國四足移動機器人的研究從80年代開始，也取得了一系列的成果，積累了一定的研究經(jīng)驗，研制成功一批四足機器人樣機。吉林工業(yè)大學(xué)從2O世紀(jì)7O年代開始，由陳秉聰教授和莊繼德教授分別帶領(lǐng)兩個研究小組，開始進行非常規(guī)行走機構(gòu)的研究。1985年，陸懷民博士研制出一臺具有兩條平行四邊形腿的步行機耕船試驗臺車，在土槽試驗中表現(xiàn)出較高的牽引效率，主要用于無硬底層的水田耕作。1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM 系列四足步行機器人JTUMM—III。另外，1989年，北京航空航天大學(xué)在張啟先教授的指導(dǎo)下，孫漢旭博士進行了剛性足步行機的研究，試制成功了一臺四足步行機，并進行了步行實驗。清華大學(xué)機器人及智能自動化實驗室正在研制QW-1四足全方位步行機器人。輪腿混合式移動系統(tǒng)兼有輪式和腿式移動系統(tǒng)的功能和特點，經(jīng)過多年研究和發(fā)展，已經(jīng)研制出多種結(jié)構(gòu)形式，從結(jié)構(gòu)和功能上大體上可以分為兩類： 第一類從結(jié)構(gòu)上來看就是將“輪”安裝在“腿”的末端，功能上既能夠以單一方式移動，又可以兩種移動系統(tǒng)同時發(fā)揮作用，以混合方式移動。 第二類從結(jié)構(gòu)上來看“輪”和“腿”完全分離，移動中兩者或同時發(fā)揮作用以混合式移動，或采用單一方式移動。這種結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮輪式承載能力大的特點，載荷主要由輪式機構(gòu)承受，腿式機構(gòu)增大了路面附著力，可用于越障。