可重构多模式地面移动机器人的构型设计与性能研究

发布时间：2020-04-23 08:43

【摘要】：随着地面移动机器人技术的发展,无人化系统已成为一大趋势,这就要求移动机器人在无人对其进行操控的自主运动情况下,对复杂的移动环境(如星球探测,地震救援等)有着更强的适应能力,因此对机器人移动系统的构型相比于有人操控的车辆有着更为苛刻的要求。可变形传统式、混合式以及其他新型移动机构也不断被提出和开发用于提高机器人的地面移动能力。本文将机构学中连杆机构与机器人学中机器人相融合,提出一类新概念的“可重构多模式地面移动链”,即由若干运动链和平台/顶点组成,可通过机构变形进行自身拓扑结构的变化,以实现多种移动方式(如类履带式、腿足式、轮式或球式等)在同一套移动机构上的集成和切换,并可实现在任意姿态下的移动功能或复位功能。同时提出并系统性地开展了多模式地面移动链的演化设计流程研究。并且提出闭链连杆机构特有的类履带式移动模式,利用连杆机构与移动环境中地面形状相结合的灵活变形特性提升机构的越障能力。基于该思想,本论文分别针对三支链并联移动机构(3-RRR、3-RSR)和四支链并联式移动机构(4-R(3R')R、4-R(5R')R),对多模式地面移动链的构型设计、模式拓扑分析和越障能力分析方法以及多模式移动链路径规划策略(CGD路径规划策略)进行了探索研究。具体研究内容如下:(1)基于机构创新设计方法和杆件复用原则,总结得到链组数目演化、链组内部演化和杆件形式演化三种基本演化规则,形成一般化、推理演化、特定化、具体化的“多模式地面移动链”演化设计构造过程。(2)根据杆件形式演化规律提出一种单自由度的多模式3-RRR滚动机构。在此基础上,利用奇异位置原理和冗余电机配置对机构进行设计,获得多模式3-RSR滚动机构,以实现在模式切换过程中的自由度变化,并能够实现单自由度的折叠功能和三自由度的滚动功能。(3)根据链组数目演化规律提出多模式4-RSR并联移动机构。利用等效平面分析原理,实现瓦特链式和6R链式两种滚动模式的融合。利用并联机构运动特性实现该机构的滚动和操作功能集成设计。并提出用作工业智能辅助机器人使用的可行性概念,可通过配备照明灯和工具盒等设备,以满足在狭小空间维护、组装和检测的工作需要。(4)根据链组内部演化规律提出多模式4-R(3R')R并联移动机构。通过奇异位置切换以改变自由度和拓扑结构的方法实现类履带式、开链足式与类轮式多模式的集成设计,并提出利用邻接矩阵和转换方程对各模式下拓扑结构分析的方法,以作为后续运动学、移动能力等分析的基础。并进一步利用链组内部自由度演化规律与可变运动支链设计思想提出多模式4-R(5R')R并联移动机构,使其能够重构为不同的拓扑结构以实现三种移动模式(类履带式移动模式下,闭链腿足式移动模式和轮式移动模式),及其对应的七种步态(类履带式滚动,台阶与斜坡攀爬步态,沟壑跨越步态,对角步行步态,轮式快速移动步态和转向方向步态)。以此方法所提出的多模式设计极大地提高了移动机构的地面环境适应能力,亦为具有高适应性的地面移动平台提供了所需的设计思路与关键技术。(5)针对本论文所提出的类履带式移动模式,利用机构变形实现杆件与地面的主动贴合,进行越障步态规划并建立运动学模型以进行基本障碍(台阶、斜坡和沟壑)环境下的越障能力分析。实现并验证相较于传统移动方式(轮式、履带式、腿足式)在同等尺寸下具有更强的越障能力。并且基于棋盘式网格划分(chessboard-shaped grid division,CGD)建立适用于多模式地面移动链的最少耗时和最短距离路径规划策略。
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移动机器人

履带式、足式三种移动方式间切换，但其自身庞大的体积与重量反而降低了轮式逡逑移动系统应有的敏捷性，控制也更加复杂。Ｆｒａｎｃｏｉｓ邋Ｍｉｃｈａｕｄ等人［８９］提出了一款名逡逑为ＡＺＩＭＵＴ的履带式移动机器人（如图１－２所示），主要包括一个机身和四个履带臂，逡逑每个履带臂是一个装有履带的摇臂，每个履带臂通过转动关节与机身连接。该机逡逑器人共有１２个自由度，其中８个转动关节驱动和４个履带驱动。通过调整履带臂逡逑与机身的角度，ＡＺＩＭＵＴ可以实现履带式移动机器人、轮式移动机器人和足式移逡逑动机器人三种模式之间的变换，使机器人不怕翻滚，并能够适应更加复杂的路面逡逑形式和环境情况。逡逑ｍｍ逡逑图１－２ＡＺＩＭＵＴＴ轮履足混合移动机器人［８９］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｗｈｅｅｌ－ｔｒａｃｋ－ｌｅｇ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｒｏｂｏｔ邋ＡＺＩＭＵＴ逡逑１．２．３整体变形式移动机构逡逑在研究工作过程中可发现混合式移动机器人的躯体基本保持相对固定的状逡逑态，机器人只是移动单元和铰连关节部分参与移动功能。同时也注意到可变形设逡逑计思想己经在轮子、履带和腿部机构的设计上得以体现，因此如何进一步有效地逡逑利用变形技术提升移动能力是移动机构发展的一个重要方向。“整体式”变形移动机逡逑８逡逑

自然界,蛇形机器人

模式是根据仿生学原理对自然界无四肢动软体动物（如蛇、蚯蚓和毛毛虫等）进逡逑行研究得到的蠕动、爬行和滚动等。其中最具有代表性的蛇形机器人［９￣９１］（如图逡逑１－３和图１－４所示），由于其独特蛇形运动的方式，对于山地、草丛、乱石堆、沙逡逑地等地形均有较强的适应能力，尤其对于狭窄缝隙和极小洞穴有着极强的通过能逡逑力。此外，这类机器人“身体”可以随意的变形，可根据需要可以充当移动机构实现逡逑快速移动。由于机器身体的所有单元均参与变形与移动，故具有全姿态移动能力。逡逑不足之处是机器人整体刚度差、承载能力弱，难以承受较大的外力。逡逑焌媝逡逑图１－３邋ＡＣＭ－Ｒ４蛇形机器人［９（）］逦图１－４邋ＯｍｎｉＴｒｅａｄ蛇形机器人［９１］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｎａｋｅ－ｌｉｋｅ邋ｒｏｂｏｔ邋ＡＣＭ－Ｒ４逦Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｓｎａｋｅ－ｌｉｋｅ邋ｒｏｂｏｔ邋ＯｍｎｉＴｒｅａｄ逡逑可蜷缩型动物（如螃蟹、蜘蛛和犰狳等）也会通过将自身的肢体团成一个球逡逑体，以获得快速滚动的逃跑能力与自我保护的防御能力（如图１－５所示），以此概逡逑念所设计的机器人同样可以获得良好的移动能力。例如，如图１－６所示为Ｐｈｉｒｏｓ逡逑等人设计的一种双足移动机构［９２］，通过对腿部零件进行优化设计，使机构在收缩逡逑状态时
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242

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