多模式移动连杆机构理论研究

发布时间：2018-03-20 14:31

本文选题：移动机器人　切入点：多移动模式　出处：《北京交通大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着移动机器人技术的快速发展,机器人的工作环境逐渐面向未知的复杂环境(如星球探测,地震救援等),其移动方式也从单一方式逐步扩展为多种模式的集成和复合。混合式、自重构以及其他新型移动技术也不断被开发以提升机器人移动能力。本文从机构学的角度出发,将移动机器人看作为移动连杆机构,尝试利用连杆机构的灵活特性,尽可能地提升机构的移动能力。本文首次系统地提出了具有全姿态移动能力的多模式移动连杆机构概念。即多模式移动连杆机构是一种依靠机构自身变形和运动形式的变化,将多种移动方式(如滚动、蛇形、轮式或腿式等)在同一套机构上集成和切换,并且在任意状态下均具有移动能力的复杂变形闭环连杆机构。基于该思想,论文分别针对平行四边形机构、平面和空间闭环机构,对多模式机构的构型设计和模式分析方法进行了探索研究。具体研究内容如下：(1)使用单个平行四边形机构,通过冗余电机对机构奇异位置的控制,实现平行四边形和反平行四边形机构的状态切换,分别对着两种状态进行运动学和动力学分析,得到了滑行、爬行和侧滚模式。进一步分别利用爬行和侧滚步态,研究了单自由度的机构的转向方法。(2)根据Bricard缩放机构和变胞机构原理,提出一种可以在平行四边形机构和球面四杆机构之间自由切换的空间八杆机构,分析其在各自状态下的移动能力,得到了平行四边形(PPM)滚动模式和球面四杆(SFM)滚动模式。综合使用两种模式,机构可实现移动和自由转向。(3)以平行四边形机构单元,根据中心对称原则,构造具有内驱动的单自由度多环机构。基于ZMP原理,分析其主动滚动模式和滚动步态。此外,利用机构的自平衡位置,对机构变形进行分析,得到了机构被动步滚的原理与条件。(4)提出一种等效四面体机构的三叉机构,并基于此四面体单元,提出了构造具有多面体外形的多模式移动机构设计方法以及移动模式分析流程。并以双单元(双三角锥机构)为例对机构移动模式分析进行阐述。(5)基于单自由度双三角锥机构,得到了定向和概率滚动两种模式,并依靠概率特性提出了单自由度机构转向机制以及控制策略,通过计算机仿真验证策略的有效性。从而使得单自由度双三角锥机构可以向平面任意目标区域的移动。(6)结合并联机构、缩放机构和可重构原理,提出了三类移动机构构型设计。综合多操作模式的思想,对这类机构的变形特征和移动能力进行研究。首先,针对并联机构连杆结构的改进,提出了可移动3-RSR并联机构,结合平台的运动模式,研究其基本的全姿态滚动模式。其次,在3-RSR并联移动机构基础上,将平台拓展为单自由度缩放机构以增加平台操作模式。进一步分析移动模式,得到了蠕动,自穿越模式和滚动三种移动模式。再次,根据支链机构的奇异特性,提出了将并联机构的支链转化为串联式机构的构造方法和折叠变形技术。进一步提炼出了一种将并联移动机构整体转化为串联式腿式机器人的设计方法。通过平台运动模式和支链的变形分析,得到了滚动、侧翻、类轮式以及腿式四种移动模式。此外,对各模式之间的过渡状态以及切换规律进行了分析,以获得不同移动模式快速转换的方法。通过这部分的研究工作,使移动机构综合集成了滚动,类轮式以及腿式三种高效移动模式,清楚地阐述了多模式移动连杆机构的设计理念。通过该方法,可以极大提高了机构的移动能力,为后续设计具有高适应性的移动平台提供了必要的关键技术。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112

【相似文献】