组合分离式旋翼与足式移动操作机器人一体化设计理论与空地协同任务规划方法

The multi-rotor flying robot possesses advantages such as rapid mobility of large range and multiped leg-arm integrated robot possesses good terrain adaptability and dexterous manipulation ability. Based on the study of multi-rotor flying robots and multiped leg-arm integrated robots, an original integration design method of the both robots is proposed. We name it air-ground mobile cooperating robot, which can separate to a multi-rotor flying robot and a multiped leg-arm integrated robot autonomously. This project aims to study on the design of “compliance and fault-tolerant” combination and separation mechanism, mechanism-structure integrated design of multi-rotor flying robot and multiple leg-arm integrated robot, to solve the key problems such as operated motion planning, flight operations dynamics, dynamics and stability of combination and separation process of the air-ground cooperating robot, to realize the compliance interaction between robot and robot, also between robots and environment . The air-ground cooperating mission planning method research of isolated multi-rotor flying robot and the isolated multiped leg-arm integrated robot will be carried out. We will design and develop one prototype of air-ground mobile cooperating robot and build collaborative integrated experimental platform. The experiments of robot combination and separation, flight operation, flying and climbing operation and cooperative operation under specific environment will be carried out to verify the correctness of the proposed theory and method.

本项目基于多旋翼飞行机器人与多足腿臂融合机器人的研究基础，充分发挥多旋翼飞行机器人的的大范围、远距离快速机动性和多足腿臂融合机器人的良好的地形适应性和灵巧操作能力，创新性的将二者有机融合，设计一种多旋翼飞行机器人与多足腿臂融合机器人可自主组合分离的空地协同移动操作机器人。研究机器人的“柔顺、容错”组合分离机构设计、多旋翼飞行机器人与多足腿臂融合机器人的一体化机构结构设计，解决多旋翼飞行操作机器人空中飞行操作运动规划、飞行操作与飞爬操作动力学，组合分离过程动力学与稳定性等关键问题，实现机器人与机器人、机器人与环境的柔顺交互；进而开展分离体-多旋翼飞行机器人和分离体-多足腿臂融合机器人空地协同作业任务规划方法研究，设计研制空地协同移动操作机器人样机1台，搭建空地协同作业综合实验平台，进行机器人组合分离、飞行操作、飞爬操作、以及特定环境下的协同作业试验研究，验证所提出理论和方法的正确性。

在复杂作业任务和危险环境条件下，机器人除具有快速机动性能外还需要具备灵巧操作的能力。我国是多山地国家，近1/3的国土面积由山地环境组成。条件苛刻是山地环境的特点，而且泥石流、滑坡等自然灾害频发。我国与邻国相接壤的陆疆边界也以山地地形为主，生存和通行条件十分恶劣，给边防战士巡逻警戒造成很大困难。利用机器人代替人在复杂恶劣环境下实现环境监测、灾难救援、边境巡逻警戒以及军事战争等多种作业任务是当今机器人研究发展的重要方向。北京等城市的规模和人口密度不断增大，城市安保问题变得越来越严峻。对城市突发事件的侦察、救生、反恐、排爆等高风险问题的应急处理，亟需环境适应能力强、机动性能好、操作灵活且作业可靠的高性能机器人装备。.空地协同移动操作机器人是一种新型多功能机器人，将多旋翼飞行和多足行走操作有机结合，集合了旋翼飞行机器人和多足腿臂融合机器人的优点，充分发挥多旋翼飞行机器人的垂直起降大范围机动能力和多足行走操作机器人的地面适应性和操作能力。项目设计了快速组合分离机构，实现了空地协同移动操作机器人的机构结构一体化设计。研究了多旋翼飞行操作过程的动力学和控制方法，提出了基于被动操作臂的多旋翼飞行操作机器人的动力学建模和控制方法。通过混杂系统理论建立了飞行操作全过程的动态动力学模型，采用切换矩阵将离散的过程统一起来。针对空地协同机器人组合分离任务的对接过程进行了接触碰撞分析，建立了系统组合分离过程动力学模型，实现了空中操作与组合分离过程的机器人系统稳定控制。探索了基于强化学习的多旋翼飞行操作机器人的控制方法。针对机器人组合分离及相关任务需求，开展了相关视觉算法研究，实现了飞行机器人对地面移动机器人的空中检测与跟踪。.项目研究的成果为我国多功能移动操作机器人装备创新设计提供理论指导和技术储备，研究成果可用于核电站维护、反恐防暴、灾难救援以及军事侦查、协同作战等领域，具有重要的理论价值和实际意义。