● 摘要
论文在综述了国内外各种全方位、可重构、移动机器人等方面的发展现状和趋势基础上，结合具体的能源作物田间数据监测和管理项目的需求，首次提出一种全方位可重构数据采集象草机器人概念和非常规行走机构装置。该象草机器人主要用于田间能源作物的生命周期管理、生长状况监测、作物维护，代替人类完成田间数据获取、实时监控、远程遥感等既定任务。 本文在车辆-地面机器系统力学基础上，提出了一种用于确认移动机器人基本构型的构型函数，总结出一套计算移动机器人行走机构的方法和思路。通过优化构型函数、比较各个行走机构参考指标，针对具体的使用条件和环境选择最合适的机器人构型。该方法还可用在其他类似的轮式移动机器人的初步计算和构型优化中。 基于该象草机器人的工作环境是种植有能源作物象草的实验田间环境，且象草每个生长周期呈现出不同的生长高度，最高可达3-4m，因此，设计了一种可重构的四轮独立驱动独立转向(4WDWS)的非常规行走机构，优化机器人主体搭载平台，确保机器人在运行过程中的机动性和可靠性；设计的象草机器人具有两自由度的可重构特性，可使之变换出具有不同轮距、离地间隙以适应不同作物生长高度和生长行间距的应用环境。 由于所设计的象草机器人需要进入田间任意位置进行数据采集作业，因此浓密的象草环境对机器人的顺利驶入提出了严峻的挑战，在机器人驶入田间的过程中，作物阻力是行驶阻力中很重要的一部分。为了获得准确的作物阻力数据，利用材料力学实验方法对象草进行了作物阻力预测和实验，准确预知能源作物的对象草机器人行驶阻力的影响，这在很大程度上提高了象草机器人在田间运行时的通过性，并给以后能源作物（比如象草、柳枝稷、牧草等）的作物阻力预测提供了一个可行的研究方法和参考。 该数据采集象草机器人是目前农业机器人中体积最大、离地间隙最高、具有多功能的移动平台，其运动学和动力学特性比较复杂。本文运用解析几何法和投影法建立了象草机器人的运动学和动力学理论模型，并结合地面力学理论，在考虑了轮-地、车-作物相互作用的情况下，分析了象草机器人平台在随机路面谱激励下的随机振动特性。从象草机器人的机动性、通过性、稳定性多方面定量分析了机器人的重构特性，比较重构前后对系统通过性和稳定性的影响，确保设计象草机器人的运行可靠性和安全性。