百变行者--轮腿复合结构底盘平台

百变行者--轮腿复合结构底盘平台

简介：

通过轮腿式载运平台的设计，可以大大改善目前的装备运输平台不能满足战场环境日益复杂化对多适应性作战平台的需求，提升我军在多种复杂战场环境下的有效战斗载荷，提升部队综合战斗力；在民用方面，可以有效克服复杂环境下的运输，探测等传统性难题，为新一代智能化多适应性机器人的开发提供新的思考。

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详细介绍：

当前我军作战样式日趋多样化，轮式载运平台无法适应复杂作战环境的矛盾日益突出，腿式载运平台的机动性又无法满足机动性需求。在此背景下我们设计了该款基于轮腿复合结构的多适应性作战平台原型。在轮腿复合结构的创新结构设计基础之上，平台采用零力矩点（ZMP）理论行走控制算法进行步态规划，通过Matlab图形化界面对平台进行有效控制，结合运动模态切换，使之对各类环境具有全面的适应性。作为该平台实现了轮式模态的前进、后退、转向，腿式模态的前进、后退、转向，轮式、腿式模态转换以及一定环境下的越障等功能。 此原型经过改造和升级可以搭载检测和武器装置，成为真正意义上的多适应性载运平台，技术成熟之后，将成为军民两用的典范。例如，野战环境中，无论是平坦大路还是连绵丘陵，平台都可以满足作战需求，大型化可以作为多功能载运平台，小型化可以作为无人探测武器。搭载救护设备后，可以作为救援运输机器人，广泛运用于复杂环境下的搜救工作等。

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

一、基本思路 1、问题提出 当前地面平台多采用轮式，这与轮式平台结构简单、技术成熟、速度快等特点分不开，但轮式平台也存在对路面要求较高，越障能力较弱的突出缺点。 2、问题解决 （1）我们提出了一种新型的轮腿复合结构。 （2）使用零力矩点轨迹规划的步态控制方法。 （3）我们将实现平台的运动模态的无扰切换，适应不同的战场环境。 二、创新点 本作品的创新点主要包括： 1、新型轮腿复合结构设计。 2、实现轮式、腿式和轮腿混合式的运动模态，满足对多适应性载运平台的需求。 3、针对不同环境实现连续无扰的运动模态切换。采取常规机器人无法实现的完全混合运动模态，可以实现四肢的轮腿结构的任意组合。 三、技术关键点和主要技术指标 1、四足机器人的步态规划技术与四足协调控制技术 2、无线传输的实现，图像无线采集 3、智能舵机控制的学习和开发 4、创造性的结构设计和仿真 5、场景构建与路径规划 四、技术指标 轮式运动模态的前进、后退、转向、原地转向；腿式运动模态的前进、后退、原地转向、障碍穿越；混合运动模态的展示等。

科学性、先进性

一、针对轮腿复合结构创新设计 我们提出了一种新型的轮腿复合结构，平台中车轮位于小腿中部，这样利用腿式机构的可折叠性，在轮式运动过程中，腿部机构和车体连接为一体，而当采用四足步行移动方式时，车轮又作为腿部机构的一部分，两种模态相互之间不发生干扰，充分发挥轮式移动和腿式移动方式各自的优点，避免各自的缺点。模态之间的切换是利用腿部机构的弯曲运动，避免了另外设计专用的转换机构，减少了转换时间。 二、针对运动控制系统设计和步态规划 使用零力矩点轨迹规划的步态控制方法。该方法由于有效地使用了基于模型的步态控制方法，降低了采用动力学规划方法的计算复杂度，满足了算法实时性的要求。 三、针对多模态切换控制问题 模态切换在初期采用有线控制器，到达指定位置后，采用手动下达切换指令，实现模态的切换。到后期技术成熟，我们可以采用组件中的Zigbee无线通信模块尝试实现模态的无线遥控,并尝试加载传感装置通过模式识别来区分结构化环境和非结构化环境，实现运动模态的自动切换。

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

一、技术特点及优势 1）提出和实现了新式的轮腿复合结构。 2）基于零力矩点算法的步态规划和控制系统设计，基本实现了平台的稳定控制。 3）无扰的模态切换，使平台能够满足多功能作战平台的需求。 二、推广前景及市场分析 该多适应性载运平台原经过改造和升级不仅可以搭载更多的检测和武器装置，实现其真正意义上的多适应性多功能载运平台功能。极大满足日趋复杂化的战场和搜救环境对多功能载运平台的需求。例如，野战环境中，目前的作战平台只能在结构化环境下才能提供有效的战略战术支撑，而我们的多适应性作战平台升级后能够在不同的环境下自由切换运动模态，无论是平坦大路还是连绵丘陵都可以满足作战需求。除此之外，在搭载探测和必要的救护设备后，亦可以作为救援运输机器人，广泛运用于复杂环境的搜救工作。 综上所述，该作品经过升级后可以广泛应用于军事和日常生产生活中，具有成本低、效率高、易操作等优点。

同类课题研究水平概述

一、国外同类课题研究水平概述 近年来美国研制的Bigdog是腿式地面平台的典范之作，其精巧的结构设计、卓越的控制性能、超强的负载能力展现出广阔的军事应用前景。履带式移动系统具有较好的越野能力，结构紧凑，动载荷小，适用于多种地形，尤其是松软易沉陷环境，但过高的自重以及由此导致的高能耗限制了它的推广应用。 轮腿复合结构地面无人平台的基本思想是地面无人平台的移动系统由轮式与腿式两套独立的移动子系统构成，其中轮式移动子系统以现有汽车的轮式移动系统为原型，腿式移动子系统以新型的模式化机器人舵机来实现。 二、国内同类课题研究水平概述 我国四足移动机器人的研究从80年代开始，也取得了一系列的成果，积累了一定的研究经验，研制成功一批四足机器人样机。吉林工业大学从2O世纪7O年代开始，由陈秉聪教授和庄继德教授分别带领两个研究小组，开始进行非常规行走机构的研究。1985年，陆怀民博士研制出一台具有两条平行四边形腿的步行机耕船试验台车，在土槽试验中表现出较高的牵引效率，主要用于无硬底层的水田耕作。1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM 系列四足步行机器人JTUMM—III。另外，1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了刚性足步行机的研究，试制成功了一台四足步行机，并进行了步行实验。清华大学机器人及智能自动化实验室正在研制QW-1四足全方位步行机器人。轮腿混合式移动系统兼有轮式和腿式移动系统的功能和特点，经过多年研究和发展，已经研制出多种结构形式，从结构和功能上大体上可以分为两类： 第一类从结构上来看就是将“轮”安装在“腿”的末端，功能上既能够以单一方式移动，又可以两种移动系统同时发挥作用，以混合方式移动。 第二类从结构上来看“轮”和“腿”完全分离，移动中两者或同时发挥作用以混合式移动，或采用单一方式移动。这种结构可以充分发挥轮式承载能力大的特点，载荷主要由轮式机构承受，腿式机构增大了路面附着力，可用于越障。