双手爪式模块化仿生攀爬机器人的研究

农业、林业和建筑业将是未来机器人广阔的、极具潜力和很有前途的新应用领域之一。面向这些新的应用领域中的高空作业，研究和开发具有攀爬功能的新型机器人是当前机器人技术研究的热点之一。针对现有攀爬机器人攀爬能力弱且不具备操作能力的缺点，本文设计开发了一种双手爪式模块化仿生攀爬机器人系统Climbot，并围绕该新型系统从机器人的系统构建、攀爬步态、夹持可靠性和运动规划四个基本方面进行了系统的深入研究。主要内容如下： 1）采用模块化和仿生设计方法，设计了具有首尾对称结构的五自由度双手爪式仿生攀爬机器人Climbot的构型，完成了机器人机械系统和控制系统构建，对该机器人进行了运动学建模，并从运动学角度对机器人在三维空间中任意两杆间的过渡攀爬进行了深入分析。 2）根据Climbot的构型特点提出了三种基本攀爬步态包括尺蠖步态、扭转步态和翻转步态，并对三种步态的特点进行了分析和对比。以机器人关节负载力矩和能量消耗为评价的标准，对这三种步态在不同方向杆上的攀爬进行对比和分析。 3）针对Climbot所采用的夹持方式，对机器人夹持圆杆时的力封闭性进行了证明，验证了此种夹持方式的可行性。根据机器人攀爬时夹持端的负载特点，提出了一种夹持力平衡模型。基于该模型，分别计算了机器人进行平面攀爬和空间攀爬时，夹持器的各种参数对夹持可靠性的影响，并以此为依据进行了夹持器的参数优化。 4）对Climbot基于能量优化的运动规划方法进行了研究。为了降低运动规划时机器人的高维度、运动学约束和动力学约束所带来的计算复杂性，分别设计了基于加速度平滑的下层轨迹规划器和基于连续空间曲线的上层路径规划器，并提出了一种基于空间格点的优化路径搜索算法。借助一种判断线段与面之间不接触的方法，分析了机器人在运动路径上避障的充分条件，提出了机器人在有障碍物情况下的运动规划方法。另外，还应用此运动规划方法成功解决了工业机械臂能量优化的路径选择问题。