本文根据六轮摇臂式月球探测车的结构特点,以闭链坐标变换和瞬时重合坐标法为基本工具,详细推导了六轮探测车的正、逆运动学模型,分析了相关的运动学特性;在运动学建模与分析中,将车轮滑移单独提取出来考虑,给出了滑移量的估算方法。本文的研究结果为六轮月球探测车的结构分析与运动控制提供了有力的基础。

根据动物运动的不对称性,设计了一种新型的仿生轮腿式月球车,其移动机构由4个结构相同的轮腿、车体支架以及转向支架3部分构成。在建立仿生轮腿机构坐标变换模型基础上,对月球车移动机构进行了运动学分析,建立了各跨步杆端部的正向运动学模型。基于COSMOS Motion软件对该月球车进行了运动学仿真,给出了移动机构各关节相对于车体质心参考坐标系下的运动轨迹曲线,并对其越障过程进行了虚拟样机运动仿真。仿真表明:该月球车的车身起伏度较小,可以平滑地完成越障跨步动作。

为了减小摇臂式月球车在崎岖不平的月球表面上行进时车体位姿的变化,给车载科学仪器提供稳定的移动工作平台,对悬架结构参数进行了优化.在对摇臂悬架简化的基础上,定义了悬架的运动学参数,用坐标变换法建立了摇臂月球车的运动学模型,得到了以悬架运动学参数表示的车体位姿方程.以车体位姿中的垂直位移和俯仰角的变化为多目标函数,悬架结构参数为设计变量,建立了多目标优化数学模型,并利用MATLAB优化工具箱进行了优化求解.采用ADAMS软件进行了仿真分析,结果表明,优化后摇臂式月球车车体位姿的变化明显减小.

针对月球探测的特殊要求,设计了具有滚动扭转转向特性的四轮直径可变月球探测车.通过对可变直径轮的原理进行分析,推导出车轮等效半径的公式.根据该月球探测车的结构特点,以闭链坐标变换和瞬时重合坐标法为基本工具,推导了四轮可变直径轮月球车基于三维地形环境的正、逆运动学模型,分析了相关的运动学特征,提出了运动学逆解的理论解法和实用解法.实用解法有效地降低了计算量.并提出了用车轮等效半径调整探测车辆俯仰角度的方法,提高了月球车的稳定性和通过性能.该研究结果为四轮月球探测车的结构分析与运动控制提供了有力的基础.

从运动特性上看,六轮月球探测车是复杂的多路闭链系统。完整的六轮月球探测车运动学模型应考虑所有车轮与地面的相互运动关系以及滑移的影响。现对滑移条件下的六轮月球探测车进行了运动学建模与分析。根据六轮摇臂式月球探测车的结构特点,以闭链坐标变换和瞬时重合坐标法为基本工具,详细推导了六轮探测车的正、逆运动学模型,分析了相关的运动学特性。所建立的运动学方程直接基于任意三维地形环境。在运动学建模与分析中,将车轮的各项滑移全部单独提取出来考虑,给出了滑移量的估算方法,提出了利用滑移估算值对闭环运动控制进行修正的方法。该研究结果为六轮月球探测车的结构分析与运动控制提供了有力的基础。

给出了六轮摇臂—转向架式月球探测车的运动学建模方法。该模型共有6个自由度,包括沿x、y、z方向的移动和绕x、y、z方向的转动。为了获得月球探测车的位置和姿态,正运动学方程由车轮的雅可比(Jacobian)矩阵推导,并对矩阵方程进行了求解;逆运动学方程为已知探测车本体的运动速度,确定单个车轮的驱动速度,以达到期望的探测车位姿。该运动学模型为月球探测车的运行、运动控制系统的设计及自主导航提供了理论基础。

针对月球的微重力特性、地形的不连续性、部分驱动轮打滑、部分车轮短时间离开地面甚至机器人发生侧翻的复杂情况 ,用移动机器人在不同时刻不同斜面上的运动学模型组成机器人在崎岖不平地面上行驶的复合运动学模型的方法 (TPCM) ,为管道形轮腿式月球探测机器人(PWLER)建立了正向和逆向运动学模型 .运用正向运动学模型 ,根据PWLER各驱动轮的转速可估算出机器人相对于绝对坐标系的位置和姿态 .运用逆向运动学模型 ,根据PWLER期望的前进速度和转弯半径可确定出各驱动轮的速度 .从而为PWLER在三维地形上的自主导航和路径跟踪提供了理论依据

首先建立了月面坐标系中月球机器人的直角坐标运动学方程 ,并在此基础上推导出运动学方程的极坐标表达形式。然后 ,针对月球机器人的运动控制问题 ,推导了为保证月球机器人的运动全局渐近收敛其线速度和角速度所应满足的充分条件 ,并进行证明。