便携式可变形履带式机器人的机构设计与运动研究

发布时间：2016-11-11 20:41

  本文关键词：便携式可变形履带式机器人的机构设计与运动研究，由笔耕文化传播整理发布。

《沈阳工业大学》 2015年

便携式可变形履带式机器人的机构设计与运动研究

项宏伟  

【摘要】：近年来频频发生的各种灾难造成巨大的人员伤亡和财产损失，，其中有人为的恐怖事件，也有大的自然灾害。在各种灾难后的快速、有效、安全地搜救受伤人员成为救援的第一任务。目前用于抢险救灾的搜救设备通常包括空中的情况调查装置和能够进入灾后现场的搜救装置。无人或有人驾驶的直升机能够完成前一项任务；而对于现场搜救装置，由于灾后环境非常复杂，还需要在环境适应性、移动性等方面加以突破。为解决该问题，本论文对便携式可变形多履带式移动机器人的机构及其运动特性做了详细研究。 首先，进行了一种变形双履带式移动机器人（Transformable Double-Tracked MobileRobot简称TDMR）研究，该机器人采用自适应机构，自适应机构由一组行星轮系及四边形机构组成，使机器人能够适应地面形状，可以同时完成跨越障碍物及攀爬楼梯的作用。采用四边形机构，使机器人可根据地面形状适应地形，行星轮系能够根据履带受力情况实现四边形的变形或履带驱动动作，从而自主适应地形。为保证运动过程的可靠性，TDMR机器人研究了变形复位、限位机构设计，并采用尾轮机构，减小TDMR机器人在越障过程的冲击。根据对TDMR机器人结构的研究，研制了样机，开展了实验验证。在实验中发现，TDMR机器人体积过大，运动不灵活，越障冲击力较大等不足。因此，提出对机器人进行结构改进，以更好的适应复杂灾难环境。 其次，开展了基于平行四边形变形机构的可变形多履带式移动机器人（Super TrackedMobile Robot简称STMR）结构和运动模式研究。STMR机器人的主体是由两个呈对称分布的平行四边形结构组成。平行四边形的一个边为车体，其它三条边为履带机构，履带机构通过连接轴同步驱动。通过四边形的变形运动和履带驱动相结合，使STMR机器人可实现轮式运动、腿式运动和履带式运动三种运动模式，实现机器人能够在复杂环境下运动。对STMR机器人静止和匀速运动时的受力状况进行了分析。建立了数学模型，推导了STMR机器人质心方程，分析了STMR机器人的运动稳定性，并优化了STMR机器人的结构参数。分别分析了轮式运动模式和主履带运动模式下，静止状态和匀速运动状态的受力情况，推导出其处于最佳运动姿态时的摆臂转角方程。 再次，对STMR机器人越障的类型进行了分析，并围绕典型障碍-台阶开展了研究。对跨越台阶过程的动作进行了详细的分析与规划，研究和分析了STMR机器人在越障过程中整体质心位置与摆臂角的变化规律；为保证STMR机器人在跨越台阶的过程中的运动稳定，对STMR机器人的运动姿态进行了优化分析，在控制摆角的同时实现了STMR机器人的平稳运动。应用牛顿欧拉方法建立STMR机器人的动力学模型，对跨越台阶的几个阶段分别作了动力学分析，结合运动学方程，得出了STMR机器人跨越台阶过程中的驱动力矩方程，并分析了其运动稳定性。对STMR机器人的运动做了仿真分析，获得了STMR机器人驱动力矩的变化规律。 最后，开发了STMR机器人的控制系统，研制了STMR机器人实验平台，并对其运动进行了动作规划的正确性和姿态优化的有效性的实验验证。实验结果表明， STMR机器人具有良好的越障性能和运动稳定性，并且其运动形式多样，变形灵活，能够适应复杂环境。

【关键词】：
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

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