缩放变形连杆式移动系统的设计与控制

发布时间：2017-10-26 13:22

  本文关键词：缩放变形连杆式移动系统的设计与控制

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【摘要】：摘要：与轮、履、腿等常规移动系统构造理念截然不同,本文采用机构学中复杂的空间连杆机构整体用于构造移动机构机械本体的设计理念,提出一类连杆式移动系统的全新概念。以连杆式移动系统具备整体缩放折叠变形、模块化设计、高机动性、多移动模式、快速响应与移动、复杂环境适应性、运载能力、以及控制简单等多优势特性为目的,致力于研究探索一类新型连杆式移动系统的设计方法与控制策略。在机构设计上采用顶点单元与伸缩单元的模块化构造思想；构型构造上提出全移动副构造、解耦型组合四面体构造、可缩放立方体模块化可重构机器人构造以及融合缩放折叠机构的改进型并联式移动机构构造理念；控制方法上采用一种二进制控制策略；以及驱动选型上选用气动和液压驱动方式。 本文从移动机构变形机理阐释、运动理论分析、动力学仿真及实物样机实验的多角度对连杆式移动机构各项运动特性展开全面研究,主要研究工作如下： (1)从降低运动学模型建立的复杂度、提高机构整体刚度、实现快速翻滚与构造伸缩扩展变形的大内部运载空间角度,提出构型上采取全移动副构造、驱动上利用微型气缸作为二进制驱动器以及控制上融合二进制控制策略的连杆式移动机构的全新设计理念,探索采用两种顶点模块构造空间对称的气动缩放六面体连杆式移动机构的拓展设计方法,阐释移动机构构造特性,详细分析移动机构的运动可行性条件、运动步态及移动效率等。 (2)从拓展全移动副构造的变形、移动与运载功能角度,融入模块化与内部隔腔式设计、二进制驱动与控制以及空间对称性拓展组合构造的设计理念,提出基于四面体与立方体构型的两类新型空间连杆式模块化单元及同类模块间组合构造方法。重点探讨融入二进制控制策略的解耦型组合四面体连杆式移动机构与框架式晶格状可缩放立方体模块化可重构机器人的机构构型设计与组合方法,分析组合移动机构的运动学与动力学特性及多模式运动能力。 (3)从多模式运动、缩放折叠大变形、机构高刚度、模块化设计、移动与操作功能集成、快速响应及重载的设计角度出发,融入并联机构的并联式构造思想,分别从利用单自由度过约束空间折叠机构替代传统并联机构上、下刚性平台和利用平面缩放机构替代传统并联机构支链中的伸缩杆单元的进一步改进设计角度,提出一种可重构平台与一种缩放支链驱动的两种并联连杆式移动机构构造方法,探索新型连杆式移动机构构型设计方法、多运动模式运动能力及其缩放折叠变形特性。 将空间连杆机构整体用于构造连杆式移动系统的全新设计理念为移动机器人家族提供了一种新型、有潜力的设计方案。对所提连杆式移动机构新概念在机构设计方法、驱动与控制技术、移动模式与缩放折叠变形等方面展开了深入探讨与分析,为此类移动机构的研究与应用提供了理论支持与技术指导。
【关键词】：连杆式移动系统 二进制控制 模块化设计 顶点与伸缩杆构造 多模式移动
【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;TP242
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 引言14-41
• 1.1 课题提出14-15
• 1.2 连杆式移动系统研究现状15-37
• 1.2.1 常规地面移动机器人15-16
• 1.2.2 规则几何形态的连杆式移动机构16-25
• 1.2.3 晶格状自重构模块化机器人25-28
• 1.2.4 并联式构造连杆式移动机构28-31
• 1.2.5 折叠缩放变形空间连杆机构31-34
• 1.2.6 基于二进制控制策略的连杆式机构的研究与应用34-37
• 1.3 研究动机、对象及意义、内容37-41
• 1.3.1 研究动机37
• 1.3.2 研究对象及意义37-39
• 1.3.3 研究内容39-41
• 2 全移动副构造可缩放六面体连杆式移动机构41-63
• 2.1 构造可缩放六面体连杆式移动机构41-45
• 2.1.1 构造过程描述41
• 2.1.2 构造分析41-43
• 2.1.3 驱动分析43-45
• 2.2 动能力分析45-58
• 2.2.1 步行运动功能分析46-50
• 2.2.2 翻倒运动功能分析50-58
• 2.3 二进制控制策略58-59
• 2.4 样机设计和实验59-62
• 2.5 本章小结62-63
• 3 组合四面体连杆式移动机构63-87
• 3.1 机构描述63-67
• 3.1.1 组合四面体构造过程描述63-65
• 3.1.2 组合四面体移动连杆机构运动本质65
• 3.1.3 2-四面体与5-四面体机构构造分析65-67
• 3.2 二制控制策略67
• 3.3 运动学模型建立67-72
• 3.3.1 子坐标系与局部坐标系建立68-69
• 3.3.2 子坐标系下各顶点坐标求解69
• 3.3.3 Sub-Local坐标转换与局部坐标系各点坐标求解69-71
• 3.3.4 5-四面体Local-World坐标转换71-72
• 3.4 稳定性分析72-83
• 3.4.1 单个四面体构造74-75
• 3.4.2 2-四面体构造移动连杆机构75-79
• 3.4.3 5-四面体构造移动连杆机构79-83
• 3.5 样机设计与系统实验83-86
• 3.5.1 实验硬件系统83-84
• 3.5.2 样机实验84-86
• 3.6 本章小结86-87
• 4 可缩放立方体模块化机器人87-118
• 4.1 PE-Cube模块化机器人描述87-90
• 4.1.1 PE-Cube单模块构造描述87-88
• 4.1.2 PE-Cube多模块拓展构造描述88-89
• 4.1.3 PE-Cube模块驱动和控制策略89-90
• 4.2 一维拓展构造90-96
• 4.2.1 3-Cube和4-Cube组合构造90-92
• 4.2.2 4-Cube组合构型Ⅰ棱边步行运动特性分析92-94
• 4.2.3 4-Cube组合构型Ⅱ两种步行步态运动特性分析94-96
• 4.3 二维拓展构造96-104
• 4.3.1 4-Cube至8-Cube组合96
• 4.3.2 4-Cube组合“田”字构型滚动特性分析96-103
• 4.3.3 二维拓展8-Cube构造描述与运动规划103-104
• 4.4 三维拓展构造104-111
• 4.4.1 n-Cube拓展组合104-105
• 4.4.2 三维拓展8-Cube构造描述、运动分析与样机实验105-106
• 4.4.3 三维拓展32-Cube构造的运动能力分析106-111
• 4.5 气动PE-Cube模块化机器人实验系统和样机实验111-117
• 4.5.1 实验硬件系统描述111-113
• 4.5.2 三种4-Cube组合构型样机实验113-115
• 4.5.3 8-Cube滚动和转向运动实验115-116
• 4.5.4 实验结果分析与运动性能探讨116-117
• 4.6 本章小结117-118
• 5 可重构平台并联连杆式移动机构118-147
• 5.1 机构设计和结构分析118-121
• 5.1.1 机构设计118-119
• 5.1.2 缩放变形、运动步态规划和奇异位置描述119-121
• 5.1.3 移动能力描述121
• 5.2 移动机构运动学121-130
• 5.2.1 普通面对称Bricard机构参数与闭环方程121-125
• 5.2.2 特殊3-RPS并联机构运动学分析125-128
• 5.2.4 两类机构参数化组合装配分析128-130
• 5.3 运动分析130-141
• 5.3.1 自身变形运动描述130
• 5.3.2 全方位移动分析130-138
• 5.3.3 穿越狭缝运动分析138-141
• 5.4 样机实验141-146
• 5.4.1 实验的机器人系统141-144
• 5.4.2 样机移动实验144-146
• 5.5 本章小结146-147
• 6 缩放支链并联连杆式移动机构147-168
• 6.1 机构分析与步态规划147-149
• 6.1.1 机构组成分析147-148
• 6.1.2 机构自由度分析148
• 6.1.3 步态规划和奇异位置分析148-149
• 6.2 移动机构运动学模型149-154
• 6.2.1 平面缩放支链运动学模型150-151
• 6.2.2 最优路径下的3-RPS并联机构运动学分析151-152
• 6.2.3 移动机构整体运动学模型建立152-154
• 6.3 翻滚运动过程分析154-157
• 6.3.1 3-RPS状态至3-SPR状态翻滚分析155-156
• 6.3.2 3-SPR状态至3-RPS状态翻滚分析156-157
• 6.4 动力学仿真分析157-163
• 6.4.1 四种运动状态的仿真158-161
• 6.4.2 仿真过程中液压缸行程、速度与推力数据采集与分析161-163
• 6.5 实验系统平台与运动实验163-167
• 6.5.1 实验系统平台163-164
• 6.5.2 翻滚实验164-166
• 6.5.3 并联平台功能演示166-167
• 6.6 本章小结167-168
• 7 结论与展望168-171
• 7.1 结论168-169
• 7.2 展望169-171
• 参考文献171-179
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果179-182
• 学位论文数据集18

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本文编号：1098828