布设式机器人抗过载机构及差异化的人机交互研究

发布时间：2017-03-28 17:10

  本文关键词：布设式机器人抗过载机构及差异化的人机交互研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：地震等严重自然灾害、化学污染事故、反恐与战场等未知和高危领域，情况复杂，人员和检测设备难以快速介入。针对上述领域快速探测需求，研究可配备必需传感器的微小型布设式机器人，可采用飞机、榴弹发射器、发射机构或者手抛等多种布设方式在目标区域对机器人进行快速布设，通过对机器人群体人机交互控制与监督实现目标区域多种信息的采集与传递，为决策提供第一手资料。因此，本论文结合国家科技支撑计划课题，提出了多模式布设机器人探测系统，并针对布设式机器人抗冲击过载问题、机器人远距离快速布设问题以及差异化的人机交互设计等问题，重点研究了基于动力学仿真分析和优化的布设式机器人仿生抗过载机构、机器人的快速布设方法和装置、基于指向运动的人机界面交互理论以及差异化的人机交互界面的设计方法等。 首先，综合分析了多模式布设机器人探测系统需求背景，介绍了多模式布设机器人探测系统的内涵、布设式机器人国内外研究现状、布设式机器人面临的问题和挑战、本论文的主要研究内容和组织框架等。 其次，，针对布设式机器人远程快速部署问题，提出了适合于机器人低空快速布设的研究方法，并设计了布设式机器人快速抛撒装置和机器人缓冲装置。快速抛撒装置采用惯性动能抛撒与机械力分离抛射技术相结合的模块化抛撒器，对飞机和被抛撒部分附加冲击较小，并能实现机器人的定时抛撒，均匀布设。另外，针对机器人高空落地冲击过载问题，研究空中落地缓冲的方法，并设计了机器人落地抗过载机构，采用机器人落地抗过载机构与降落伞组件相结合方法来减少地面对机器人的冲击作用，并能够实现机器人与降落组件的自动分离。 第三，针对布设式机器人在抛投方式布设时面临的高剂量冲击过载以及冲击传导问题，研究了机器人冲击隔离技术，通过分析和研究蜂窝结构仿生机理，设计了具有轴向和径向全方位缓冲能力的仿生全向抗过载车轮；通过分析和研究人体小腿骨变截面高承载仿生机理，设计了仿生本体结构；设计了具有全向抗过载能力的轴向独立、径向相关式柔性传动机构以提高机器人传动轴系冲击过载能力。针对两轮式圆柱型构型机器人机体相对于车轮反转的问题，提出对称位置机械式自平衡方法，并据此设计了机器人姿态调整机构，实现了机器人落地姿态调整和行进过程中功能姿态的保持。 第四，针对布设式机器人典型的作业环境，基于ANSYS/LS-DYNA有限元动力学仿真分析方法，完成了机器人在大理石路面、水泥地面、沥青砂石路面和土质地面四种典型作业环境的动力学仿真分析，对机器人抗过载机构和机器人整体抗冲击能力进行性能评估，并提出了进一步改进机器人抗过载结构的思路和方法。 第五，根据布设式机器人部署后探测的需求，设计了机器人监督系统。针对差异化的人机交互设计问题，重点研究了面向不同年龄用户人机交互设计的行为学理论基础，即人的指向运动的加龄效果。研究结果表明，老年人在视觉反馈受限与不受限条件下的指向运动都遵循费茨法则，为差异化的人机界面交互设计提供了必要的理论依据，并据此提出了面向老年人和青年人的人机交互界面差异化的设计方法以提高人机交互效率。 最后，设计了布设式机器人原理样机，并通过四种典型地面冲击过载实验以及机器人作业能力实验验证机器人抗过载机构的有效性和可靠性；设计了布设式机器人快速抛撒装置和机器人缓冲装置原理样机，并通过实验对上述样机进行了验证。
【关键词】：布设式机器人 多模式布设 快速抛撒装置 机器人落地缓冲 仿生抗过载机构 人机交互 指向运动
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 研究背景和意义12-14
• 1.2 国内外研究现状分析14-25
• 1.3 面临的问题与挑战25-26
• 1.4 论文的主要研究内容和组织框架26-28
• 第2章 布设式机器人快速抛撒与缓冲装置研究28-40
• 2.1 布设式机器人快速抛撒装置研究30-34
• 2.1.1 抛撒动力研究方法30-31
• 2.1.2 抛撒器开舱方式研究方法31
• 2.1.3 快速抛撒装置设计31-34
• 2.2 布设式机器人落地缓冲装置研究34-39
• 2.2.1 减速与落地缓冲技术研究方法34-37
• 2.2.2 机器人缓冲装置设计37-39
• 2.3 本章小结39-40
• 第3章 布设式机器人抗过载机构研究40-62
• 3.1 相关背景及要求40-41
• 3.2 冲击隔离的基本原理41-44
• 3.2.1 抗冲击的一般方法41
• 3.2.2 冲击隔离的基本原理41-44
• 3.3 机器人抗过载机构研究44-61
• 3.3.1 机器人抗过载机构总体设计44-45
• 3.3.2 仿生全向抗过载车轮设计45-52
• 3.3.3 仿生抗过载本体结构设计52-56
• 3.3.4 具有全向抗过载能力的轴向独立、径向相关式柔性传动机构设计56-58
• 3.3.5 机器人姿态调整机构58-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第4章 布设式机器人有限元动力学仿真分析与结构优化62-94
• 4.1 仿生抗过载机构有限元建模62-69
• 4.1.1 仿生全向抗过载车轮有限元建模63-67
• 4.1.2 仿生本体有限元建模67-68
• 4.1.3 传动轴机构有限元建模68
• 4.1.4 布设式机器人整体有限元建模68-69
• 4.2 布设式机器人动力学仿真分析69-92
• 4.2.1 机器人的抗过载性能评价准则69-71
• 4.2.2 环境因素对冲击的影响71-82
• 4.2.3 机器人典型作业环境冲击仿真分析82-92
• 4.3 本章小结92-94
• 第5章 机器人监督系统设计与差异化的人机交互研究94-110
• 5.1 布设式机器人监督系统95-97
• 5.2 差异化的人机交互研究97-109
• 5.2.1 研究方法99-101
• 5.2.2 运动时间与线性关系分析101-103
• 5.2.3 正确率的加龄效果103-104
• 5.2.5 费茨法则的适用性104-106
• 5.2.6 正确率和运动时间的加龄效果106
• 5.2.7 差别化的人机界面交互设计方法106-109
• 5.3 本章小结109-110
• 第6章 实验验证110-124
• 6.1 布设式机器人实验验证110-119
• 6.1.1 机器人物理参数和基本性能参数110-111
• 6.1.2 机器人基本运动实验111-112
• 6.1.3 机器人场景实验112-114
• 6.1.4 机器人姿态调整机构验证114-115
• 6.1.5 机器人抗冲击实验115-118
• 6.1.6 机器人自主运动实验验证118-119
• 6.2 机器人快速抛撒装置实验119-122
• 6.2.1 快速抛撒装置连续抛撒布设实验119-120
• 6.2.2 投放舱抛撒实验120-122
• 6.3 机器人落地抗过载机构实验验证122-123
• 6.4 本章小结123-124
• 结论124-126
• 主要研究成果124-125
• 创新点125
• 工作展望125-126
• 参考文献126-136
• 附录1：攻读学位期间发表论文与研究成果清单136-138
• 发表论文136-137
• 发明137-138
• 附录2：攻读博士学位期间参加的科研项目138-139
• 致谢139-140
• 作者简介140

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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  本文关键词：布设式机器人抗过载机构及差异化的人机交互研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：272683