关键词： 同时定位与建图   状态估计   机器人学   多传感器融合   可观性分析   视觉惯性导航   激光雷达里程计   机器人运动学   深度神经网络  

摘要： 同时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)是移动机器人应用中的核心技术之一,在学术界和工业界受到了广泛关注。近年来,这一领域蓬勃发展并取得了很多令人瞩目的进展,但SLAM的鲁棒应用仍存在严峻挑战。一方面,复杂的外界环境,如恶劣天气、光照快速变化、剧烈运动、纹理缺失、场景结构退化等,会导致算法性能显著降低甚至失败。另一方面,机器人平台自身对算法的计算量、精度、状态估计的一致性、时效等有特殊的要求。此外,SLAM需要从仅关注低维几何特征过渡到能够理解和利用更高层次的信息,更加智能化。针对上述问题和挑战,本文研究如何通过融合多源信息的方式来提高定位与建图算法的鲁棒性、感知能力和精度,同时保持其实时性。本文采用的可融合信息源包括多模态传感器、高维几何特征、来自环境或者机器人平台的物理信息、以及神经网络推理等。主要内容和研究成果如下:(1)本文提出了先验激光地图辅助的实时视觉惯导里程计(Visual-Inertial Odometry,VIO),旨在融合多模态传感器的异质信息,以实现低成本传感器上的高精度位姿估计。基于标准的MSCKF(Multi-State Constraint Kalman Filter)VIO框架,在线使用低成本的双目相机和IMU传感器,通过稀疏视觉特征点观测和IMU测量来进行局部的位姿估计。本方法从双目图像中恢复半稠密视觉点云,并与先验激光点云地图进行配准以获得来自地图的约束。配准结果作为一种全局测量在滤波器中对估计状态进行更新,从而有效地抑制里程计的位姿漂移。实验结果表明融合先验激光地图可显著提高VIO的位姿估计精度。(2)针对光照快速变化、剧烈运动、弱纹理、结构退化等挑战,本文在滤波器框架中融合了多模态传感器和多种几何特征,提出了 一种紧耦合的轻量级激光雷达-惯导-相机里程计,进行高精度且鲁棒的6DoF(Degreesof Freedom)位姿估计。本方法在线标定不同传感器之间的时空外参,并联合估计视觉点特征和高维激光平面特征,拓展了算法的适用性。为了对激光雷达点云进行可靠的数据关联并避免缓慢的迭代更新,提出了一种高效且可靠的滑动窗口平面特征跟踪算法,并以概率的方式剔除异常的数据关联。本文还对激光雷达-惯导-相机系统,尤其是激光雷达-惯导子系统,进行了详细的可观性分析并确定了导致其外参不可观的退化情况。实验结果表明本方法能提供高精度的一致状态估计,且具有很强的鲁棒性。(3)针对地面机器人的高精度位姿估计,本文提出了融合环境中运动流形的位姿估计器,并研究了运动流形的参数化表示及估计方法。运动流形是一种物理信息,用于表示地面机器人运动所在的表面。基于优化的滑动窗口估计器框架,本文设计了一个为地面机器人定制的高精度位姿估计器,融合了轮速计和感知外部环境的传感器测量,同时估计导航状态和运动流形。与使用轮速计测量只能进行3DoF平面运动积分的传统方法相比,本研究提出了仅使用轮速计测量进行6DoF运动积分的方法。此外,本文还提出了周期性地重参数化运动流形的方法,显著降低了位姿估计误差。(4)为了提高应用在滑移转向机器人上定位与建图算法的鲁棒性和精度,降低由机械结构变形、地形变化、轮胎压力变化、机器人重心变化、轮子打滑等因素带来的算法性能下降的风险,本文融合了机器人平台自身的运动学特性(物理信息),提出了一种针对滑移转向机器人的运动学参数和位姿估计方法。本文采用基于瞬时旋转中心的机器人运动学模型,在基于优化的滑动窗口估计器中融合轮速计、单目相机和可选的IMU进行状态估计。针对不同的传感器和设计配置,进行了深入的可观性分析,为实现合理的算法设计提供了理论支撑。实验结果表明运动学模型的引入显著提高了算法的鲁棒性和精度,有利于机器人长期执行任务。(5)针对在某些应用中深度传感器缺失的问题,本文提出了一种融合神经网络推理的视觉惯导定位与建图方法。本文使用了能推理出稠密深度的神经网络,并与VIO紧耦合,实现了实时的定位与建图。针对从单目图像无法恢复出真正尺度的稠密深度问题,本方法把来自VIO的稀疏深度和单目图像输入到轻量级条件变分自编码器(CVAE)中,预测出有尺度的稠密深度。同时,为了快速调整稠密深度,CVAE把高维度的稠密深度编码成低维度的潜变量(称为深度码)。在基于滤波的VIO中,本方法仅使用稀疏测量来更新深度码和导航状态,以提高推理出的稠密深度质量。为保证实时性,本文提出基于有限差分的神经网络雅可比计算方法,其速度比基于链式法则的雅可比计算方法快一个数量级,且仅使用第一估计雅可比(FEJ),无需进行重线性化。此外,由于深度神经网络耦合了不会发生过拟合的状态估计器,本方法在完全未知的数据集上有很强的泛化性。针对以上核心问题和研究成果,本文在真实场景数据集上和仿真环

关键词： 全向移动平台   模块化机械臂   全向移动操作机器人   运动学   动力学   移动操作协调规划  

摘要： 本文提出了一种由基于主动万向脚轮驱动的全向移动平台与基于一体化关节的轻量化机械臂组成的模块化全向移动操作机器人系统,可以通过配置合适的脚轮数量与机械臂构型满足多样性任务需求,同时系统具有的全向移动能力可以使其在拥挤狭窄的环境下灵活安全作业,特别适合柔性制造与人机共融的应用场景。本文针对模块化移动操作机器人的设计、建模分析以及移动-操作协调规划等方面,展开了系统的研究工作,为全向移动操作机器人的深入研究及应用奠定了基础。本文的主要工作与贡献可以总结如下:1)以搭载轻量化操作臂的模块化全向移动操作机器人为对象,以图论、李群及螺旋理论为基础,提出了一种不依赖整体构型的运动学自动建模方法。对模块化机械臂采用装配关联矩阵对其构型进行数学表达,并利用基于微分流形和李群的局部指数积方法对其进行运动学建模;对模块化全向移动平台采用向量形式表达脚轮的数量与安装位置,通过并联机器人运动学理论建立了全向移动平台的运动学模型,最后基于全向移动平台与机械臂的装配关系获得了系统整体的运动学模型。该建模方法不依赖于系统整体构型,输入机械臂的构型与各脚轮模块的安装位置信息,结合机械臂关节模块、连杆模块和脚轮模块的设计参数即可自动生成相应的运动学模型。根据获得的运动学模型,分析了全向移动平台在不同的驱动模式下存在的奇异性的问题。2)基于递推的牛顿欧拉法以及并联机构动力学分析方法提出模块化全向移动操作机器人不依赖整体构型的动力学自动建模方法。针对全向移动平台的并联机器人结构,采用拉格朗日法对脚轮模块进行动力学建模并将其转化为任务空间描述形式,使用AOM(augmented object model)方法将所有脚轮模块与平台模块的动力学模型整合并生成系统任务空间动力学模型。针对机械臂的串联机器人结构,基于递推的牛顿欧拉法提出了受全向移动平台运动影响的机械臂动力学自动建模方法,并且分析了全向移动平台与机械臂之间动力学耦合问题。该动力学建模方法不依赖移动操作机器人整体构型,根据机械臂关节模块、连杆模块和脚轮模块的动力学参数,即可自动生成系统的动力学模型。3)基于运动学约束分析提出了一种由约束参数构成的无内力脚轮驱动力分配模型。冗余驱动的全向移动平台在运动中可能产生内力,导致运动性能下降,为了避免运动中内力的产生,通过分析系统运动学约束提出了一种参数化的无内力脚轮驱动力分配模型,该方法不受脚轮个数与安装位置的限制,适用于模块化全向移动平台。与传统内力分析获得的结果不同,该模型由约束参数构成并且不是唯一的,因此在保证运动中不产生内力的同时,还可通过参数调节对全向移动平台动力学性能进行二次优化。4)针对全向移动平台冗余驱动的特点,提出了一种基于能量消耗最优的脚轮关节力矩分配方法。通过理论建模结合实验数据拟合的方法,建立了系统整体的能量消耗模型并将其转化为关于脚轮驱动力矩的函数。结合机器人动力学约束,提出了一种改进的梯度投影法在零空间内对脚轮驱动力矩优化。仿真算法表明,机器人在复杂轨迹中可以降低11%的最大驱动力矩,同时降低7%的能量消耗。5)提出了一种主动万向脚轮驱动的全向移动平台的归位轨迹算法。为了提高系统的定位与运动控制精度,全向移动平台需要自动归位,即各个脚轮的转动关节从无序状态回归零位。由于存在并联机构约束,各脚轮无法独立归位。本文提出了一种关节空间的轨迹规划方法,首先通过运动学分析建立了一个描述机器人归位趋势的性能指标函数,将关节空间任务转化为操作空间任务,进而提出了一种基于速度最优的归位轨迹规划方法,可以使移动机器人在满足关节力矩极限与地面牵引力条件下从任意关节空间姿态回到零位状态。6)根据移动操作机器人两个子系统运动特性差别大的特点,提出了一种针对不同任务定义的移动-操作协调运动规划策略,以逆运动学优化求解的方式将任务分配给机械臂与移动平台。建立了一个基于任务权重的优化目标函数并且采用差分进化算法进行优化求解。计算结果表明,在满足一定操作度的约束下,当任务定义为以操作为主时,可以主要通过机械臂的运动到达目标点,而当任务定义为以移动为主时,可以主要通过移动平台的运动到达目标点。以受到移动平台动力学耦合影响的机械臂为对象,采用了一种基于数值积分方法的时间最优路径参数化方法对其进行轨迹规划。

摘要： 由云南省楚雄州科协、楚雄州教育体育局主办,楚雄州科技馆、楚雄州机器人协会承办的楚雄州第二届青少年科技创新大赛机器人竞赛近日在楚雄州宾馆成功举办。云南省青科中心主任贾兴勇、楚雄州教育体育局副局长许华荣、楚雄州科协副主席倪勇出席大赛开幕式。来自全州20所学校的71支参赛队,152名参赛选手、教练员同台竞技。

关键词： 水下运载机器人   动力学分析   深海定位   轨迹优化设计  

摘要： 采用水下运载机器人对深海信号传感器进行投放和回收工作过程中,进行深海信号传感器的定位是一项较为困难的工作。本文通过建立浮标上浮过程动力学模型,分析上浮运动轨迹,从而反向定位深海信号传感器的位置。通过建立基于水动力影响下的水下运载机器人动力学模型,提高了机器人在传感器回收过程中的运动控制稳定性,同时,为了节省水下运载机器人的能源消耗,并且实现深海信号传感器的快速寻找和定位,对传感器回收过程中的水下运载机器人运行轨迹进行了优化。主要研究内容如下:研究了水下运载机器人的动力学特性,根据质心运动定理和相对于质心运动的动量矩定理推导了水下运载机器人的动力学方程;考虑到水下运载机器人的加速度引起惯性水动力的影响,建立了水下运载机器人的水动力学模型。研究了浮标上浮过程中的动力学特性,由牛顿—欧拉方程推导了浮标上浮运动的动力学方程。同样考虑浮标的加速度引起的惯性水动力的影响,建立浮标上浮运动的水动力学模型。根据浮标的动力学模型推算了浮标上浮的轨迹,通过浮标的位置反向定位深海信号传感器的位置。当浮标上浮过程中遇到内波时,上述定位方法精度较差,因此本文提出了另一种基于内波速度势的浮标上浮轨迹的推算模型。该模型将浮标受到的内波速度势分解为两种简单形式,通过伯努利方程求解出浮标所受到的内波力,推算出浮标上浮轨迹。利用MATLAB得到定位模型的解析解和Fluent的仿真结果进行对比,验证了定位模型的可靠性。为了解决水下运载机器人携带动力有限的问题,本文研究了基于能量最小原则的深海信号传感器回收轨迹优化设计,提出了四种常见的回收轨迹形式,针对这四种轨迹建立了能量损耗模型,为不同海况下的深海信号传感器回收轨迹优化提供了参考。

关键词： 步行机器人   动力学建模   牛顿-欧拉   模糊PID  

摘要： 本文以并联腿式六足步行机器人为研究对象,具体包含两条腿、六个足、十二条UPUR腿部支链以及六条辅助支链,每条腿均为6-UPUR+3P并联机构。在运动过程中,机器人迈步平稳且负载能力大,将有助于机器人的应用研究,同时也能为其他不同结构的新型机器人奠定理论基础。首先,进行了并联腿式六足步行机器人结构设计并计算其自由度,建立了机器人的定平台坐标系、动平台坐标系与并联腿支链UPUR铰点的坐标系,推导了定平台坐标系、动平台坐标系的变换矩阵;使用Matlab/Simulink软件搭建了并联腿式六足步行机器人的Sim Mechanics物理模型。其次,运用矢量法进行运动学分析,分析腿部各支链的位移、速度和加速度,为动力学建模、仿真分析等研究工作奠定了基础。以机器人单条腿为研究对象,通过理论公式推导运动学数学模型,并根据六自由度并联机器人的空间几何结构关系,建立了腿部支链的位移、速度和加速度矢量方程,运用Matlab软件进行数值仿真,获得各运动参数相对应的仿真曲线;运用牛顿-欧拉法推导了并联腿式六足步行机器人迈步腿动力学模型,编写了其Matlab程序,获得运动中各腿部支链的驱动力曲线,并与基于Simulink/Sim Mechanics仿真结果进行了对比分析,对基于矢量法所建立的运动学数学模型及牛顿-欧拉法所建立的动力学数学模型进行验证。最后,发挥PID控制和自适应模糊控制技术的优势互补,设计了腿部支链的模糊自适应PID控制器,在Simulink中搭建出模糊自适应PID控制器的仿真模型,验证所设计的模糊自适应PID控制器有效性。对并联腿式六足步行机器人进行“外八字”步态规划,并基于该步态进行试验研究。试验结果表明,并联腿式六足步行机器人的步态规划合理,达到了规划的要求,且采用模糊自适应PID控制器的控制效果明显优于传统PID控制器。

关键词： 管道机器人   冲击碰撞   聚氨酯密封盘   流固耦合仿真   振动响应  

摘要： 利用管道机器人或管道内检测器等装备进行管道维护检测,是保证油气管道投产与安全运营的重要技术手段。管道机器人在其运行过程中,由于管道内存在凹陷与焊缝等缺陷,难免会与其产生冲击碰撞,这会影响管道机器人的稳定性与内检测作业的效果。因此需要对管道机器人冲击凹陷过程进行分析,为管道机器人稳定运行提供正确的设计和运行参数以及理论基础。本文以管道机器人通过凹陷这种外部障碍的过程为例,对管道机器人进行受力分析,建立运动受力模型。基于Lu Gre耦合摩擦模型,研究驱动力和摩擦力的影响因素。选用Kelvin弹簧阻尼模型来近似聚氨酯密封盘,模拟管道机器人在实际工况中发生的压缩、弯曲等形变特征,详细推导了管道机器人径向振动方程,建立Adams动力学仿真模型。对Adams模型施加特定的驱动力函数,完成管道机器人冲击凹陷的动力学仿真分析。建立微元管段流体模型,推导流体的连续性和动量方程,利用特征线法进行求解;编写流体方程求解程序,建立Adams与Simulink流固耦合仿真模型,揭示外部障碍激励下,流体驱动管道机器人工艺设计和运行参数变化时动力学行为的变化情况。建立多密封盘管道机器人动力学模型,推导了密封盘刚度特性不同时的轴向振动方程,分析了多密封盘管道机器人运行参数变化时冲击凹陷的振动响应。研究结果表明:运行过程中凹陷和环焊缝对管道机器人产生了激扰作用,引起了管道机器人的振动,幅值的变化较稳定运行状态相差数十倍,极大的影响了管道机器人的正常运行状态。前后密封盘通过凹陷时的振动能量高于管道机器人在平整管段的振动能量,基于这一变化,可以识别管内不同的凹陷及障碍,实现管道机器人的精准定位。

关键词： 水下机器人   水动力系数   运动控制   改进遗传算法   改进BP神经网络  

摘要： 随着陆地资源不断减少,人们逐渐把探测资源的重心移至海洋。水下机器人由于其较低的研发成本、较好的控制性以及易于携带等优点,逐渐成为海洋资源探测的重要手段之一,也在其他领域具有十分广泛的应用前景。为了保证水下机器人在工作时有着优良的控制性能,水下机器人的运动控制算法必须具备高效、鲁棒性强等性能。本文以水下机器人控制性能的提升为目标,采用计算流体力学方法获取水下机器人的水动力系数,提出并设计信赖域反射-遗传算法的控制策略,基于改进BP神经网络拟合推力损失曲线,并设计信赖域反射-遗传算法完成推力分配。首先,建立了水下机器人的动力学模型,通过仿真实验获取了机器人的水动力系数。建立了固定坐标系和运动坐标系,并通过水下机器人工作状态下的受力分析,建立了水动力学模型。基于控制精度与计算效率的双重约束对有缆遥控式水下机器人的模型进行简化,利用ICEM进行网格划分,并导入Fluent开展流体仿真。将水下机器人的运动分为水平面运动和垂直面运动两类进行仿真,获得机器人的水动力系数。其次,首次提出了基于信赖域反射-遗传算法的水下机器人运动控制算法。针对水下机器人运动控制需求简化运动方程,利用信赖域反射算法求解初始种群中的精英种群,设计自适应变异、交叉算子,改进精英种群、普通种群的变异、交叉策略。通过对比信赖域反射-遗传算法、传统遗传算法、粒子群算法求解推进系统合推力的结果,验证了所提信赖域反射-遗传算法的有效性与适用性。最后,本文利用改进BP神经网络拟合推进器的推力损失曲线,在此基础上基于信赖域反射-遗传算法对推进系统的合推力、合推力矩进行推力分配,利用MATLAB研究了各推进器推力与偏差距离、角度之间的影响规律。通过设定不同的初始偏差距离和角度开展仿真实验,得出水下机器人位移、角位移随时间的变化规律。研究结果表明,所提推力分配方法对于该水下机器人的运动控制性能具有良好适用性。

关键词： 车载作业机器人   动力学建模   PID控制   OpenModelica仿真分析   案例验证  

摘要： 现代林业作业任务正面向机械化、智能化,对野外作业机器人能够适应多变的、复杂的野外环境以及各种气候环境提出了更高的要求。安装在行驶车辆上方的作业机器人由于受到野外复杂地形的影响,容易造成作业对象识别丢失、目标特征提取困难,因此保证作业机器人的操作精准性和稳定性已成为车载作业机器人智能化的重要课题。本文以车载作业机器人为研究对象,深入研究了系统的动力学建模与控制技术,主要围绕以下四个方面进行研究:（1）首先介绍了车载作业机器人的总体设计方案,分为承载车辆系统和作业机器人操作平台系统两大模块,详细描述了系统组成及功能、工作原理以及设计要求及参数。全地形车辆提供速度控制、轨迹跟踪和所需导航功能的高级控制体系结构;二自由度的作业机器人旋转关节构型为回转-俯仰,通过PID闭环控制,操作灵活。（2）然后基于拉格朗日法建立了作业机器人数学模型,对作业机器人各关节进行了动力学分析,得到受控对象转矩对关节运动的影响规律;对作业机器人进行正、逆运动学分析,得到作业机器人末端位置姿态和各关节位置之间的关系,为作业机器人伺服控制系统中的PID控制方法提供了理论依据。此外研究了陀螺操纵平台惯性稳定性与空间定位转换特性,设计了陀螺操纵平台的非惯性位置控制方式下的切换控制策略和惯性速率控制模式下的主从控制结构,总结出目标转换规律。整体为下一步作业机器人仿真提供理论基础。（3）其次建立了全地形车的转向系统的数学模型,通过对以速率为受控对象的转向控制和对目的地距离与剩余时间的速度控制,实现了全地形车的定位寻踪。建立了全地形车的悬挂系统数学模型,在系统中对弹簧质量速度和非弹簧质量速度的差值实施PID控制,得到了悬挂系统振动控制规律。为下一步车载作业机器人的目标识别定位和振动控制提供理论依据。（4）最后在OpenModelica软件中进行车载作业机器人系统建模和仿真两方面工作。对于建模方面开发了二自由度（方位角和俯仰角）机电一体化的模型库,快速的建立作业机器人动力学模型;组装了完整的车辆系统,将车辆行驶的数字化等级路面与行驶系统振动模型结合,构建了在各级路面和档位下车辆系统的动态随机载荷时间历程以及道路载荷谱,为后续车载作业机器人控制系统Stewart试验台试验与控制算法开发提供试验和仿真输入数据;开发了Stewart并联振动平台仿真模型,根据Stewart平台选择的陀螺仪传感器进行建模与仿真研究,目的是基于Modeilca语言建立陀螺仪的模型,通过陀螺平台测量车载作业机器人运动控制过程的姿态;进行了行驶系统数字化路谱仿真、Stewart平台系统仿真以及作业机器人系统模型仿真,获得作业机器人载在Stewart平台振动干扰下的控制响应曲线,在误差范围内控制方法响应效果较好,对位置跟踪精度较好。总体上二自由度机械臂实现的俯仰角和方位角更能够快速收敛稳定,两者都能够快速逼近理论轨迹曲线并做出合理的机械臂运动时角度偏差补偿,控制效果较优;案例验证表明采用modelica仿真的方位角和俯仰角响应变化趋势与案例中利用matlab仿真结果的变化趋势一致,与matlab/adams联合控制仿真研究相比,基于modelica部件的模型库研究,将控制系统与机械系统集成于一个软件中,为炮塔系统动力学与控制系统的研究带来较大便利。因此,modelica可以用于车载作业机器人的系统建模和PID控制策略仿真模拟。

关键词： 四足机器人   模型预测控制   运动学建模   动力学建模   全身控制   轨迹规划  

摘要： 四足机器人是足式机器人的一种,与一般在平地上运动的移动式机器人相比,四足机器人的使用不受环境的限制,能在复杂环境和崎岖的地面运行,由于该机器人需要在复杂的环境里运行,因此常规的控制方法很难满足其在复杂的环境中平稳运行。本文从运动学分析和动力学建模的角度,采用了一种预测控制加全身控制的混合控制系统,目的是减小系统的稳态误差,克服其在复杂环境中运动时的精度影响,使得四足机器人在复杂环境中还具有较高的稳定性。基于此背景,本论文设计了一种基于四足机器人动力学的控制算法。论文主要从四足机器人的运动学建模、动力学建模、机器人控制算法和机器人的仿真以及实物实验四个方面进行研究。论文的主要内容以及取得成果如下:（1）四足机器人的运动学建模:先对3维空间变换做出介绍,再说明对3维运动学和6维运动学的联系,采用6维运动学对四足机器人进行运动学分析,分析了四足机器人各个坐标系之间6维空间变换矩阵和四足机器人各连杆之间的6维空间的速度传递。（2）四足机器人的动力学建模:在运动学基础上,对四足机器人进行动力学建模,对牛顿欧拉逆动力学迭代做出说明,对动力学建模所需的广义重力、广义科氏力、接触雅可比、广义质量矩阵进行了推导。（3）四足机器人控制系统的设计:对四足机器人控制系统的控制算法进行分析,采用模型控制和全身控制的混合控制算法应用于四足机器人的控制系统,使用MATLAB进行仿真,并对控制效果进行了分析,从仿真结果看到了具有较好控制效果,可以用于实际环境的应用。（4）四足机器人的足端轨迹规划以及实物实验:将控制算法应用实物实验并对四足机器人进行了足端轨迹规划,跟踪四足机器人的足端轨迹,取得了较好的效果。

关键词： 地面力学   动力学模型建立   矿井履带式机器人   RecurDyn仿真  

摘要： 煤矿井探测机器人可以辅助或者代替相关人员进入狭小的井下空间以及矿灾后的危险区域环境完成探测或救援任务。但矿井下尤其是灾后的井下环境存在大量非结构化障碍以及大量由煤泥、尘土混合而成的复杂路面,这对机器人的越障能力以及土壤的通过能力提出了更高的要求。因此,本文基于矿井井下地面土壤特征以及常见障碍尺寸的基础上,结合国内外可变形履带机器人的研究现状,采用动力学理论分析、虚拟样机仿真和实体单侧履带实验等研究方法,对变形履带式矿井探测机器人在软土地面上的越障性能和通过性能从以下几个方面进行了相关研究工作:(1)阐述了变形履带式矿井探测机器人的总体及机械结构的设计方案以及控制系统的框架搭建,并对对驱动履带行走机构和变形机构的电机进行了选型。分析了履带式矿井探测机器人在矿井井下作业过程时可能遇到的一些结构化和非结构化的地形以及所行驶地面的力学特性,简化和获取了典型地形障碍以及地面力学参数,并根据这些参数设定探测机器人的越障指标。(2)根据履带车辆地面力学相关理论,建立了柔性履带与土壤的动态力学模型,分析了履带机器人在煤泥地面上的挂钩牵引力以履带滑转率的相互关系。并在此基础上建立了履带机器人转向运动时的动力学模型并对过程中的转向阻力矩进行分析,解释了转向时履带机器人侧翻的原因。(3)对变形履带式矿井探测机器人在软土地面条件下,爬越斜坡和独立台阶障碍地形进行了动力学模型建立,详细分析了其越障的过程,并推导出履带机器人成功爬越上述地形的自身尺寸及动力条件公式。(4)运用RecurDyn仿真软件对所设计的变形履带式矿井探测机器人进行了仿真分析。结合所提出的矿井井下越障性能指标,建立了斜坡、独立台阶、连续台阶、凸台、和沟道参数化地形,并对探测机器人在煤泥地面、沙土地面以及硬地面上分别进行上述障碍地形以及直行转向运动模式的仿真分析,得到了履带机器人越障过程中的驱动扭矩输出以及质心俯仰角度曲线,来验证变形履带式矿井探测机器人的越障性能以及软土地面的通过性能。(5)详细介绍了橡胶履带、履带驱动轮和双曲柄四连杆悬架的加工与完成单侧行走系统的装配。利用土槽试验台测试单侧履带实体样机,进行三种地面直行和150mm独立台阶实验。该论文有图96幅,表12个,参考文献89篇。