抛投机器人翻转越障技术研究

发布时间：2020-07-17 19:08

【摘要】：抛投式机器人体积小、重量轻,便于单兵携带,可通过人工抛掷、弹射、空投等方式进入复杂、狭窄、危险区域,实现快速部署。但此类机器人仅在小范围平地机动,越障性能差,尤其在城市环境中,常见的楼梯和台阶成为其难以逾越的障碍。本文以XX预研项目为背景,研究一种可翻转越障的抛投机器人,克服机器人体积、重量和攀爬楼梯、台阶等障碍的性能之间的矛盾。提出了连续翻转大跨度越障的原理及结构方案,在小型轮式底盘的基础上,加装翻转摆臂组件辅助底盘翻转。围绕该方案进行样机设计,并展开运动学、动力学理论及试验研究。以初始样机为基础进行抗跌落仿真分析及结构优化,满足抛投使用需求。该研究可扩大抛投机器人使用范围,对复杂空间抵近侦察具有重要意义。具体进行以下研究工作:分析已有的小型越障机构,以体积小、重量轻和高越障性能为目标,提出一种连续翻转大跨度越障原理及结构方案。在小型轮式底盘的基础上,设计翻转摆臂组件,摆臂绕底盘中心旋转,当摆臂触及地面或台阶等物体时,在支反力作用下底盘向上抬升,底盘处于竖直姿态后,摆臂继续旋转下压,迫使底盘向前倾倒并完成翻转动作。机器人可通过底盘连续翻转这种大跨度的运动实现爬楼梯功能。围绕该结构方案进行机械、控制系统设计,研制翻转越障抛投机器人初始样机。针对四固定轮底盘,建立平地机动运动学及动力学模型,结合不同工作状态,分析机器人直行、转弯、爬坡状态对动力特性的需求。将爬楼梯时底盘翻转一次过程分为8个状态,建立完整的爬楼梯运动学模型,分析特征尺寸设计要求,并进一步建立机器人特征尺寸与台阶高度的关系。基于典型状态进行受力分析,并提出爬楼梯稳定性的判定标准及主要影响因素。基于多体动力学软件RecurDyn及其控制模块Colink建立机器人机械-控制系统联合仿真模型。其中机械系统包含结构质量、转动惯量、摩擦阻力等信息;控制系统包含运动控制器模型及电机模型。借助该虚拟样机进行爬楼梯仿真,初步验证底盘翻转式爬楼梯方案的可行性,以及理论模型正确性;进行机器人加速、转弯、爬坡等仿真,对机器人最大速度、爬坡角度、转向驱动力矩等性能、参数进行预测。抗跌落是抛投机器人重要性能之一。基于非线性有限元分析软件ABAQUS对初始样机进行跌落仿真。针对机器人材料的冲击响应特性和损伤机理,选用3阶Odgen模型描述橡胶超弹性本构关系,以及Johnson-Cook模型描述金属考虑应变强化效应的弹塑性本构关系。提出了四项跌落冲击关注指标及评估标准,对初始样机进行三种典型姿态跌落仿真,判断其抗冲击性能并对关键部件存在问题进行分析。在此基础上,从轮胎结构、壳体材料、电机轴联接方式、轮轴保护机构方面提出四项改进措施,并进行关键参数优化。对改进后样机进行仿真对比,结果表明机器人在结构强度、过载加速度、关键部位受力等方面性能大幅度提高,机器人可承载5m跌落冲击。利用研制的机器人初始样机进行多种类型楼梯攀爬试验,结果表明翻转式爬楼梯方案可行,特征尺寸设计合理,机器人对楼梯种类具有广泛适应性。对该样机进行平地机动、爬坡试验,以及草地、碎石地、沙地、废墟/瓦砾地行驶试验,验证了机器人机动性能以及复杂地面环境的通过性能,并对理论模型、虚拟样机模型正确性做出验证。对初始样机轮式底盘进行高度1m三种典型姿态跌落试验,验证了仿真模型的正确性。
【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


本文编号：2759819