【摘要】：隨著地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,無(wú)人化系統(tǒng)已成為一大趨勢(shì),這就要求移動(dòng)機(jī)器人在無(wú)人對(duì)其進(jìn)行操控的自主運(yùn)動(dòng)情況下,對(duì)復(fù)雜的移動(dòng)環(huán)境(如星球探測(cè),地震救援等)有著更強(qiáng)的適應(yīng)能力,因此對(duì)機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)型相比于有人操控的車(chē)輛有著更為苛刻的要求�？勺冃蝹鹘y(tǒng)式、混合式以及其他新型移動(dòng)機(jī)構(gòu)也不斷被提出和開(kāi)發(fā)用于提高機(jī)器人的地面移動(dòng)能力。本文將機(jī)構(gòu)學(xué)中連桿機(jī)構(gòu)與機(jī)器人學(xué)中機(jī)器人相融合,提出一類(lèi)新概念的“可重構(gòu)多模式地面移動(dòng)鏈”,即由若干運(yùn)動(dòng)鏈和平臺(tái)/頂點(diǎn)組成,可通過(guò)機(jī)構(gòu)變形進(jìn)行自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化,以實(shí)現(xiàn)多種移動(dòng)方式(如類(lèi)履帶式、腿足式、輪式或球式等)在同一套移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的集成和切換,并可實(shí)現(xiàn)在任意姿態(tài)下的移動(dòng)功能或復(fù)位功能。同時(shí)提出并系統(tǒng)性地開(kāi)展了多模式地面移動(dòng)鏈的演化設(shè)計(jì)流程研究。并且提出閉鏈連桿機(jī)構(gòu)特有的類(lèi)履帶式移動(dòng)模式,利用連桿機(jī)構(gòu)與移動(dòng)環(huán)境中地面形狀相結(jié)合的靈活變形特性提升機(jī)構(gòu)的越障能力�；谠撍枷�,本論文分別針對(duì)三支鏈并聯(lián)移動(dòng)機(jī)構(gòu)(3-RRR、3-RSR)和四支鏈并聯(lián)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)(4-R(3R')R、4-R(5R')R),對(duì)多模式地面移動(dòng)鏈的構(gòu)型設(shè)計(jì)、模式拓?fù)浞治龊驮秸夏芰Ψ治龇椒ㄒ约岸嗄Ｊ揭苿?dòng)鏈路徑規(guī)劃策略(CGD路徑規(guī)劃策略)進(jìn)行了探索研究。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)基于機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法和桿件復(fù)用原則,總結(jié)得到鏈組數(shù)目演化、鏈組內(nèi)部演化和桿件形式演化三種基本演化規(guī)則,形成一般化、推理演化、特定化、具體化的“多模式地面移動(dòng)鏈”演化設(shè)計(jì)構(gòu)造過(guò)程。(2)根據(jù)桿件形式演化規(guī)律提出一種單自由度的多模式3-RRR滾動(dòng)機(jī)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,利用奇異位置原理和冗余電機(jī)配置對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),獲得多模式3-RSR滾動(dòng)機(jī)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)在模式切換過(guò)程中的自由度變化,并能夠?qū)崿F(xiàn)單自由度的折疊功能和三自由度的滾動(dòng)功能。(3)根據(jù)鏈組數(shù)目演化規(guī)律提出多模式4-RSR并聯(lián)移動(dòng)機(jī)構(gòu)。利用等效平面分析原理,實(shí)現(xiàn)瓦特鏈?zhǔn)胶?R鏈?zhǔn)絻煞N滾動(dòng)模式的融合。利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)和操作功能集成設(shè)計(jì)。并提出用作工業(yè)智能輔助機(jī)器人使用的可行性概念,可通過(guò)配備照明燈和工具盒等設(shè)備,以滿(mǎn)足在狹小空間維護(hù)、組裝和檢測(cè)的工作需要。(4)根據(jù)鏈組內(nèi)部演化規(guī)律提出多模式4-R(3R')R并聯(lián)移動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過(guò)奇異位置切換以改變自由度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)類(lèi)履帶式、開(kāi)鏈足式與類(lèi)輪式多模式的集成設(shè)計(jì),并提出利用鄰接矩陣和轉(zhuǎn)換方程對(duì)各模式下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析的方法,以作為后續(xù)運(yùn)動(dòng)學(xué)、移動(dòng)能力等分析的基礎(chǔ)。并進(jìn)一步利用鏈組內(nèi)部自由度演化規(guī)律與可變運(yùn)動(dòng)支鏈設(shè)計(jì)思想提出多模式4-R(5R')R并聯(lián)移動(dòng)機(jī)構(gòu),使其能夠重構(gòu)為不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)三種移動(dòng)模式(類(lèi)履帶式移動(dòng)模式下,閉鏈腿足式移動(dòng)模式和輪式移動(dòng)模式),及其對(duì)應(yīng)的七種步態(tài)(類(lèi)履帶式滾動(dòng),臺(tái)階與斜坡攀爬步態(tài),溝壑跨越步態(tài),對(duì)角步行步態(tài),輪式快速移動(dòng)步態(tài)和轉(zhuǎn)向方向步態(tài))。以此方法所提出的多模式設(shè)計(jì)極大地提高了移動(dòng)機(jī)構(gòu)的地面環(huán)境適應(yīng)能力,亦為具有高適應(yīng)性的地面移動(dòng)平臺(tái)提供了所需的設(shè)計(jì)思路與關(guān)鍵技術(shù)。(5)針對(duì)本論文所提出的類(lèi)履帶式移動(dòng)模式,利用機(jī)構(gòu)變形實(shí)現(xiàn)桿件與地面的主動(dòng)貼合,進(jìn)行越障步態(tài)規(guī)劃并建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以進(jìn)行基本障礙(臺(tái)階、斜坡和溝壑)環(huán)境下的越障能力分析。實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證相較于傳統(tǒng)移動(dòng)方式(輪式、履帶式、腿足式)在同等尺寸下具有更強(qiáng)的越障能力。并且基于棋盤(pán)式網(wǎng)格劃分(chessboard-shaped grid division,CGD)建立適用于多模式地面移動(dòng)鏈的最少耗時(shí)和最短距離路徑規(guī)劃策略。
【圖文】：

履帶式、足式三種移動(dòng)方式間切換，但其自身龐大的體積與重量反而降低了輪式逡逑移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)有的敏捷性，控制也更加復(fù)雜。Ｆｒａｎｃｏｉｓ邋Ｍｉｃｈａｕｄ等人［８９］提出了一款名逡逑為ＡＺＩＭＵＴ的履帶式移動(dòng)機(jī)器人（如圖１－２所示），主要包括一個(gè)機(jī)身和四個(gè)履帶臂，逡逑每個(gè)履帶臂是一個(gè)裝有履帶的搖臂，每個(gè)履帶臂通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與機(jī)身連接。該機(jī)逡逑器人共有１２個(gè)自由度，其中８?jìng)�(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和４個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)。通過(guò)調(diào)整履帶臂逡逑與機(jī)身的角度，ＡＺＩＭＵＴ可以實(shí)現(xiàn)履帶式移動(dòng)機(jī)器人、輪式移動(dòng)機(jī)器人和足式移逡逑動(dòng)機(jī)器人三種模式之間的變換，使機(jī)器人不怕翻滾，并能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的路面逡逑形式和環(huán)境情況。逡逑ｍｍ逡逑圖１－２ＡＺＩＭＵＴＴ輪履足混合移動(dòng)機(jī)器人［８９］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ邋ｗｈｅｅｌ－ｔｒａｃｋ－ｌｅｇ邋ｍｏｂｉｌｅ邋ｒｏｂｏｔ邋ＡＺＩＭＵＴ逡逑１．２．３整體變形式移動(dòng)機(jī)構(gòu)逡逑在研究工作過(guò)程中可發(fā)現(xiàn)混合式移動(dòng)機(jī)器人的軀體基本保持相對(duì)固定的狀逡逑態(tài)，機(jī)器人只是移動(dòng)單元和鉸連關(guān)節(jié)部分參與移動(dòng)功能。同時(shí)也注意到可變形設(shè)逡逑計(jì)思想己經(jīng)在輪子、履帶和腿部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上得以體現(xiàn)，因此如何進(jìn)一步有效地逡逑利用變形技術(shù)提升移動(dòng)能力是移動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)重要方向�！罢w式”變形移動(dòng)機(jī)逡逑８逡逑

模式是根據(jù)仿生學(xué)原理對(duì)自然界無(wú)四肢動(dòng)軟體動(dòng)物（如蛇、蚯蚓和毛毛蟲(chóng)等）進(jìn)逡逑行研究得到的蠕動(dòng)、爬行和滾動(dòng)等。其中最具有代表性的蛇形機(jī)器人［９￣９１］（如圖逡逑１－３和圖１－４所示），由于其獨(dú)特蛇形運(yùn)動(dòng)的方式，對(duì)于山地、草叢、亂石堆、沙逡逑地等地形均有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，尤其對(duì)于狹窄縫隙和極小洞穴有著極強(qiáng)的通過(guò)能逡逑力。此外，這類(lèi)機(jī)器人“身體”可以隨意的變形，可根據(jù)需要可以充當(dāng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)逡逑快速移動(dòng)。由于機(jī)器身體的所有單元均參與變形與移動(dòng)，故具有全姿態(tài)移動(dòng)能力。逡逑不足之處是機(jī)器人整體剛度差、承載能力弱，難以承受較大的外力。逡逑焌媝逡逑圖１－３邋ＡＣＭ－Ｒ４蛇形機(jī)器人［９（）］邐圖１－４邋ＯｍｎｉＴｒｅａｄ蛇形機(jī)器人［９１］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｎａｋｅ－ｌｉｋｅ邋ｒｏｂｏｔ邋ＡＣＭ－Ｒ４邐Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｓｎａｋｅ－ｌｉｋｅ邋ｒｏｂｏｔ邋ＯｍｎｉＴｒｅａｄ逡逑可蜷縮型動(dòng)物（如螃蟹、蜘蛛和犰狳等）也會(huì)通過(guò)將自身的肢體團(tuán)成一個(gè)球逡逑體，以獲得快速滾動(dòng)的逃跑能力與自我保護(hù)的防御能力（如圖１－５所示），以此概逡逑念所設(shè)計(jì)的機(jī)器人同樣可以獲得良好的移動(dòng)能力。例如，如圖１－６所示為Ｐｈｉｒｏｓ逡逑等人設(shè)計(jì)的一種雙足移動(dòng)機(jī)構(gòu)［９２］，通過(guò)對(duì)腿部零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使機(jī)構(gòu)在收縮逡逑狀態(tài)時(shí)
【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】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2637552