【摘要】：移動(dòng)機(jī)器人作為幫助人類拓展認(rèn)知范圍的一類重要輔助工具,在人們的生產(chǎn)生活中占有越來越重要的地位。這也要求移動(dòng)機(jī)器人對(duì)于地形有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。人們不斷對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn),發(fā)展出了傳統(tǒng)可變形式,復(fù)合式,以及其他新型移動(dòng)機(jī)器人,用來提高機(jī)器人的移動(dòng)能力。其中一類具有多面體外形的移動(dòng)機(jī)器人則不再沿用傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)身與移動(dòng)系統(tǒng)相區(qū)分的設(shè)計(jì)思路,而是通過整體變形產(chǎn)生移動(dòng)。此外,受益于獨(dú)特的移動(dòng)方式,該類機(jī)器人不再受制于傾覆等風(fēng)險(xiǎn),在任意姿態(tài)下均能夠連續(xù)移動(dòng)。本文從機(jī)構(gòu)學(xué)角度出發(fā),首先將四面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)化設(shè)計(jì),構(gòu)造出一類具有變形能力的四面體機(jī)構(gòu),進(jìn)而將其設(shè)計(jì)為利用變形能力產(chǎn)生移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人。文章首先對(duì)選取四面體作為機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)的原因進(jìn)行了闡述,并提出了四面體機(jī)構(gòu)的構(gòu)造方法。進(jìn)而構(gòu)造得到了 Bennett四桿移動(dòng)機(jī)器人、全轉(zhuǎn)動(dòng)副四面體移動(dòng)機(jī)器人、URU支鏈四面體移動(dòng)機(jī)器人三種構(gòu)型,分別對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)性的移動(dòng)能力分析。并針對(duì)三種機(jī)器人的共性問題,包括路徑規(guī)劃、樣機(jī)控制等展開了分析與探討。具體研究內(nèi)容如下:(1)文章首先對(duì)于選取四面體作為本文所構(gòu)造移動(dòng)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)的原因分別從支撐穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、移動(dòng)靈活性三個(gè)方面進(jìn)行了闡述。進(jìn)而提出一種分別以四面體頂點(diǎn)和邊為基礎(chǔ)的四面體機(jī)構(gòu)構(gòu)造方法,并制定了基于最少驅(qū)動(dòng)數(shù)目的構(gòu)型初步篩選準(zhǔn)則。(2)基于在構(gòu)造方法中得到的轉(zhuǎn)動(dòng)副四桿虛擬四面體機(jī)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的特殊化限定,得到單自由度Bennett移動(dòng)機(jī)器人。基于對(duì)其移動(dòng)能力的分析,以及對(duì)于機(jī)器人在移動(dòng)過程中與地面摩擦力的分析,得到單自由度Bennett移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和轉(zhuǎn)向功能的具體原理與方式。(3)基于在構(gòu)造方法中得到的RRR支鏈四面體機(jī)構(gòu),提出全轉(zhuǎn)動(dòng)副四面體移動(dòng)機(jī)器人。對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)能力分析,驗(yàn)證其作為移動(dòng)機(jī)器人的可行性。對(duì)于機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中的傾倒、觸地、沖擊過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,指出地面沖擊在實(shí)際移動(dòng)過程中造成誤差的內(nèi)在作用方式,并提出機(jī)器人通過改變觸地點(diǎn)位置以減小地面沖擊及運(yùn)動(dòng)誤差的方法。(4)根據(jù)構(gòu)造方法所得,提出一種基于URU支鏈的四面體機(jī)器人并進(jìn)行了基本移動(dòng)能力分析。受益于機(jī)器人自由度的增加,使機(jī)器人的優(yōu)化空間得到提升。進(jìn)而對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了優(yōu)化,得到了小碰撞沖量滾動(dòng)方式、無碰撞滾動(dòng)方式以及低扭矩下的無碰撞滾動(dòng)方式。與優(yōu)化過程相配合,對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,得到了在無碰撞滾動(dòng)過程中的峰值扭矩和桿件受力狀態(tài),為樣機(jī)設(shè)計(jì)提供了理論支撐。另外,在樣機(jī)設(shè)計(jì)過程中針對(duì)機(jī)器人欠驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種彈簧-胡克鉸運(yùn)動(dòng)副。彈簧-胡克鉸結(jié)構(gòu)改善了傳統(tǒng)U副的工作空間,并提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。(5)對(duì)全轉(zhuǎn)動(dòng)副四面體移動(dòng)機(jī)器人和URU支鏈四面體移動(dòng)機(jī)器人所共有的三角形移動(dòng)軌跡,設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)格劃分的向量式路徑規(guī)劃算法�；谌N機(jī)器人共同的運(yùn)動(dòng)需求及硬件基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了共用的機(jī)器人控制系統(tǒng)。針對(duì)不同的功能需求,進(jìn)行了相應(yīng)程度的控制程序開發(fā)和設(shè)計(jì)。
【圖文】：

ＳＯＬＥＲＯ［４０］，（ｅ）邋ＣＲＡＢ邋ＩＩ【４１】逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｖｅｈｉｃｌｅ邋ｗｉｔｈ邋ｒｏｃｋｅｒ邋ａｒｍ邋ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ：⑷邋ＳＲ２邋Ｒｏｖｅｒ【３７］，（ｂ）邋Ｍｉｃｒｏ５邋Ｒｏｖｅｒ【３８］，（ｃ）逡逑Ｒｏｃｋｅｒ－ｂｏｇｉｅ邋Ｔｙｐｅ［３９】，（ｄ）邋ＳＯＬＥＲＯ［４０］，（ｅ）邋ＣＲＡＢ邋ＩＩ［４】］逡逑（２）履帶式逡逑履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比于輪式機(jī)器人，履帶與地面的接觸面積大幅度增加，逡逑減小了對(duì)地面的壓強(qiáng)，更適合在泥濘松軟等非結(jié)構(gòu)路面行駛，提高了越障能力。逡逑因此被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、軍事運(yùn)輸與作戰(zhàn)、反恐及災(zāi)難救援等領(lǐng)域，并取得逡逑了良好的應(yīng)用效果。考慮到大型履帶車輛前期部署困難，能夠單人攜帶且便于部逡逑署的小型履帶機(jī)器人（如圖ｌ－４（ａ））得到了快速應(yīng)用［４２］。但是履帶機(jī)器人仍舊存在逡逑

ＳＯＬＥＲＯ［４０］，（ｅ）邋ＣＲＡＢ邋ＩＩ【４１】逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｖｅｈｉｃｌｅ邋ｗｉｔｈ邋ｒｏｃｋｅｒ邋ａｒｍ邋ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ：⑷邋ＳＲ２邋Ｒｏｖｅｒ【３７］，（ｂ）邋Ｍｉｃｒｏ５邋Ｒｏｖｅｒ【３８］，（ｃ）逡逑Ｒｏｃｋｅｒ－ｂｏｇｉｅ邋Ｔｙｐｅ［３９】，（ｄ）邋ＳＯＬＥＲＯ［４０］，（ｅ）邋ＣＲＡＢ邋ＩＩ［４】］逡逑（２）履帶式逡逑履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比于輪式機(jī)器人，履帶與地面的接觸面積大幅度增加，逡逑減小了對(duì)地面的壓強(qiáng)，更適合在泥濘松軟等非結(jié)構(gòu)路面行駛，，提高了越障能力。逡逑因此被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、軍事運(yùn)輸與作戰(zhàn)、反恐及災(zāi)難救援等領(lǐng)域，并取得逡逑了良好的應(yīng)用效果。考慮到大型履帶車輛前期部署困難，能夠單人攜帶且便于部逡逑署的小型履帶機(jī)器人（如圖ｌ－４（ａ））得到了快速應(yīng)用［４２］。但是履帶機(jī)器人仍舊存在逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 張利格;畢樹生;彭朝琴;;空間四面體翻滾機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真實(shí)驗(yàn)[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2011年04期

2 孫鵬;高峰;李雯;孫剛;;深空探測(cè)車可變直徑車輪牽引通過性分析[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2007年12期

3 鄧宗全;岳明;禹鑫q

本文編號(hào)：2632941