四面体杆式移动机器人的系统设计与研究

发布时间：2020-04-19 04:48

【摘要】：移动机器人作为帮助人类拓展认知范围的一类重要辅助工具,在人们的生产生活中占有越来越重要的地位。这也要求移动机器人对于地形有更强的适应能力。人们不断对移动机器人进行改进,发展出了传统可变形式,复合式,以及其他新型移动机器人,用来提高机器人的移动能力。其中一类具有多面体外形的移动机器人则不再沿用传统移动机器人机身与移动系统相区分的设计思路,而是通过整体变形产生移动。此外,受益于独特的移动方式,该类机器人不再受制于倾覆等风险,在任意姿态下均能够连续移动。本文从机构学角度出发,首先将四面体结构进行机构化设计,构造出一类具有变形能力的四面体机构,进而将其设计为利用变形能力产生移动的移动机器人。文章首先对选取四面体作为机器人的主体结构的原因进行了阐述,并提出了四面体机构的构造方法。进而构造得到了 Bennett四杆移动机器人、全转动副四面体移动机器人、URU支链四面体移动机器人三种构型,分别对其进行了系统性的移动能力分析。并针对三种机器人的共性问题,包括路径规划、样机控制等展开了分析与探讨。具体研究内容如下:(1)文章首先对于选取四面体作为本文所构造移动机器人基本结构的原因分别从支撑稳定性、结构稳定性、移动灵活性三个方面进行了阐述。进而提出一种分别以四面体顶点和边为基础的四面体机构构造方法,并制定了基于最少驱动数目的构型初步筛选准则。(2)基于在构造方法中得到的转动副四杆虚拟四面体机构,对其进行结构参数的特殊化限定,得到单自由度Bennett移动机器人。基于对其移动能力的分析,以及对于机器人在移动过程中与地面摩擦力的分析,得到单自由度Bennett移动机器人同时实现移动和转向功能的具体原理与方式。(3)基于在构造方法中得到的RRR支链四面体机构,提出全转动副四面体移动机器人。对其进行移动能力分析,验证其作为移动机器人的可行性。对于机器人在运动中的倾倒、触地、冲击过程进行动力学分析,指出地面冲击在实际移动过程中造成误差的内在作用方式,并提出机器人通过改变触地点位置以减小地面冲击及运动误差的方法。(4)根据构造方法所得,提出一种基于URU支链的四面体机器人并进行了基本移动能力分析。受益于机器人自由度的增加,使机器人的优化空间得到提升。进而对其运动过程进行了优化,得到了小碰撞冲量滚动方式、无碰撞滚动方式以及低扭矩下的无碰撞滚动方式。与优化过程相配合,对机器人运动过程进行了动力学分析,得到了在无碰撞滚动过程中的峰值扭矩和杆件受力状态,为样机设计提供了理论支撑。另外,在样机设计过程中针对机器人欠驱动的特点,设计了一种弹簧-胡克铰运动副。弹簧-胡克铰结构改善了传统U副的工作空间,并提高了机器人的稳定性和适应性。(5)对全转动副四面体移动机器人和URU支链四面体移动机器人所共有的三角形移动轨迹,设计了基于网格划分的向量式路径规划算法。基于三种机器人共同的运动需求及硬件基础,设计了共用的机器人控制系统。针对不同的功能需求,进行了相应程度的控制程序开发和设计。
【图文】：

ＳＯＬＥＲＯ［４０］，（ｅ）邋ＣＲＡＢ邋ＩＩ【４１】逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｖｅｈｉｃｌｅ邋ｗｉｔｈ邋ｒｏｃｋｅｒ邋ａｒｍ邋ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ：⑷邋ＳＲ２邋Ｒｏｖｅｒ【３７］，（ｂ）邋Ｍｉｃｒｏ５邋Ｒｏｖｅｒ【３８］，（ｃ）逡逑Ｒｏｃｋｅｒ－ｂｏｇｉｅ邋Ｔｙｐｅ［３９】，（ｄ）邋ＳＯＬＥＲＯ［４０］，（ｅ）邋ＣＲＡＢ邋ＩＩ［４】］逡逑（２）履带式逡逑履带式移动机器人相比于轮式机器人，履带与地面的接触面积大幅度增加，逡逑减小了对地面的压强，更适合在泥泞松软等非结构路面行驶，提高了越障能力。逡逑因此被广泛应用于工程机械、军事运输与作战、反恐及灾难救援等领域，并取得逡逑了良好的应用效果。考虑到大型履带车辆前期部署困难，能够单人携带且便于部逡逑署的小型履带机器人（如图ｌ－４（ａ））得到了快速应用［４２］。但是履带机器人仍旧存在逡逑

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【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 张利格;毕树生;彭朝琴;;空间四面体翻滚机器人运动学分析及仿真实验[J];北京航空航天大学学报;2011年04期

2 孙鹏;高峰;李雯;孙刚;;深空探测车可变直径车轮牵引通过性分析[J];北京航空航天大学学报;2007年12期

3 邓宗全;岳明;禹鑫q

本文编号：2632941