基于变胞原理的移动机器人的设计与研究

发布时间：2020-04-10 22:19

【摘要】：面对复杂的事故现场环境和艰巨的救援任务,为了使救援人员从危险的工作环境中解脱出来,机器人技术作为一种智能科技被深入研究和广泛应用,成为抢险救灾领域的研究热点。但是,目前传统的机器人结构不足以保证通过事故现场的松软或陡坡路面。因此将变胞机构引入到移动机器人的腿部结构中,基于变胞机构的变结构和变自由度的特性设计了一种变胞移动机器人,以适应多种事故现场环境,完成更多救援工作任务,满足人们对机器人工作的精准化、多元化的要求。为求得合理的变胞机构,采用了邻接矩阵的描述方法,将变胞机构的空间结构变换与运动特性相结合,建立移动机构的空间运动学方程和动力学模型,根据旋量理论建立机构各个构态的运动旋量矩阵,最后通过仿真软件进行构态变换时的稳定性分析。具体工作内容如下:(1)基于具体工作任务要求结合变胞理论设计了救援移动机器人的拓扑图,根据基本机构原理初步确定构件尺寸。运用NX/UG软件进行三维建模,并分析了移动机器人的构态变换方式及其描述方法。(2)基于D-H参数法构建移动机构的运动学模型,通过对运动学方程的建立、求解移动机构的相应位置,获得机构的正向运动学方程。引入旋量理论进一步开展构态运动分析,通过运动螺旋矩阵和求得反螺旋系结果反映出了机构的可行性。由MATLAB软件仿真得到三个构态下移动机器人的连杆关节的位置随时间变化曲线。(3)建立单个移动腿部分支的静力学模型,分析腿部分支杆件在运动状态下的静力学特性,得到连杆间内应力的变化特性以及电机驱动力矩的变化规律。基于Lagrange理论对移动机器人进行动力学建模。根据机构等效阻力梯度模型对构态的随机性进行分析。(4)应用ADAMS软件进行机器人的虚拟样机仿真分析,仿真结果表明预定的三个构态均可实现,证明了机构的可行性,同时获得了变胞移动机器人的杆件变换构态过程的位移、速度和加速度的变化曲线,结果表明了在变换构态瞬时会产生冲击振动,与基于等效梯度阻力的随机性分析结果一致,从而验证了仿真结果的正确性。(5)针对机构变换构态过程中出现的冲击,采用在相邻杆件间加弹簧和隔振阻尼的方式,以减小随机构态的可能性;得到新的杆件受力仿真曲线,证明了所提出解决方法的有效性。
【图文】：

变结构,机器人,变胞机构

引入了变胞机构，除此之外还有爬行机器人以及特种机器人中也广泛应用变胞机构。如图 1.3 所示。图1.2 一个变结构轮腿式机器人图1.3 高压线巡检机器人Fig. 1.2 A novel metamorphic wheel-legged rover mechanism Fig. 1.3 High voltage line inspection robot2003 年南洋理工大学的 chen 等人[9]设计制造出一种变胞水下航行器，该变胞机器人可以根据水地面的条件不同而变换自身形态去适应所处环境。如图 1.4 所示。2015 年加拿大的航天研究部门研制了一款机械臂 SSRMS[10]，用于国际反恐案件站使用。未开始工作时的构态比较聚拢，既节省了空间有方便携带。如图 1.5 所示。图1.4 变胞水下航行器图1.5SSRMS 机械臂Fig. 1.4 SSRMS Robotic arm Fig. 1.5 SSRMS Robotic arm2015 年姜礼杰[11]结合变胞原理设计了一种训练机器人，对其结构设计的同时又进行调节设计实现帮助有障碍的人进行康复训练。同年甄伟鲲[12]设计了一种创新型的四足机器人，具有变构态爬行的功能，并对其步态进行规划设计，改变腰部构件的形态实现两个构态的相互转换。2016 年叶伟[13]基于变胞原理提出一种变结构并联机构，对其进行运动学分析和仿真分析。同年，李宪芝[14]在变胞机构的应用方面

高压线,机器人

引入了变胞机构，除此之外还有爬行机器人以及特种机器人中也广泛应用变胞机构。如图 1.3 所示。图1.2 一个变结构轮腿式机器人图1.3 高压线巡检机器人Fig. 1.2 A novel metamorphic wheel-legged rover mechanism Fig. 1.3 High voltage line inspection robot2003 年南洋理工大学的 chen 等人[9]设计制造出一种变胞水下航行器，该变胞机器人可以根据水地面的条件不同而变换自身形态去适应所处环境。如图 1.4 所示。2015 年加拿大的航天研究部门研制了一款机械臂 SSRMS[10]，用于国际反恐案件站使用。未开始工作时的构态比较聚拢，既节省了空间有方便携带。如图 1.5 所示。图1.4 变胞水下航行器图1.5SSRMS 机械臂Fig. 1.4 SSRMS Robotic arm Fig. 1.5 SSRMS Robotic arm2015 年姜礼杰[11]结合变胞原理设计了一种训练机器人，对其结构设计的同时又进行调节设计实现帮助有障碍的人进行康复训练。同年甄伟鲲[12]设计了一种创新型的四足机器人，具有变构态爬行的功能，并对其步态进行规划设计，改变腰部构件的形态实现两个构态的相互转换。2016 年叶伟[13]基于变胞原理提出一种变结构并联机构，，对其进行运动学分析和仿真分析。同年，李宪芝[14]在变胞机构的应用方面
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

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