移動性能是機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中完成作業(yè)任務(wù)的關(guān)鍵,而從豐富多彩的自然界中尋求突破是開發(fā)高效快捷的新型移動機(jī)器人的主要途徑。自然界生物經(jīng)過了長期的進(jìn)化選擇,發(fā)展出了優(yōu)秀而特殊的環(huán)境適應(yīng)能力,是人類學(xué)習(xí)和模仿的主要對象。仿生學(xué)研究表明,自然界中存在著一類不同于輪子定軸滾動的翻滾運(yùn)動,如某些生物體能以軀干和四肢形成滾動體進(jìn)行運(yùn)動。研究人員結(jié)合自然界中的這類翻滾運(yùn)動,開發(fā)了形態(tài)各異的翻滾機(jī)器人。然而,國內(nèi)外所提出的各類翻滾機(jī)器人大多采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)桿件,使得機(jī)器人運(yùn)動速度較低,且始終難以克服運(yùn)動過程中地面對機(jī)器人的沖擊,影響運(yùn)動的穩(wěn)定性。為了克服上述缺點,本研究采用弓形桿件設(shè)計機(jī)器人的結(jié)構(gòu),提出一種閉鏈弓形五連桿翻滾機(jī)器人,可通過自身變形來實現(xiàn)翻滾運(yùn)動,且在運(yùn)動中能夠避免地面的沖擊,運(yùn)動連續(xù)平穩(wěn)。本文主要研究工作如下:首先,基于形態(tài)學(xué)和對稱性理論,利用弓形桿件對閉鏈弓形五連桿翻滾機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。該機(jī)器人由五個相同的弓形桿模塊首尾相連組成,通過對機(jī)器人進(jìn)行配重,各個弓形桿件模塊具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和質(zhì)心分布。建立運(yùn)動學(xué)模型并定義廣義坐標(biāo),得到主、被動關(guān)節(jié)變量的關(guān)系;利用齊次變換法推導(dǎo)各個桿件以及機(jī)器人系統(tǒng)的質(zhì)心坐標(biāo)、速度、加速度。將機(jī)器人的動態(tài)翻滾運(yùn)動等效為圓盤在平面內(nèi)的滾動,計算得出滾動過程中機(jī)器人相對于觸地點的轉(zhuǎn)動慣量。其次,分析機(jī)器人動態(tài)翻滾的約束條件,研究動態(tài)翻滾機(jī)理。利用蒙特卡洛算法得到機(jī)器人質(zhì)心工作空間以及最大質(zhì)心偏距隨翻滾角的變化關(guān)系。建立機(jī)器人加速度關(guān)于三個廣義坐標(biāo)的非線性耦合模型,利用數(shù)值解耦得到機(jī)器人加速度范圍,并在此范圍內(nèi)利用正弦、三角形、梯形、修正梯形等四種規(guī)律構(gòu)造翻滾角加速度曲線,從而求解得到關(guān)節(jié)角的解空間。在關(guān)節(jié)角解空間中,以初始位形與目標(biāo)位形的連線為關(guān)節(jié)運(yùn)動參考軌跡,以關(guān)節(jié)點與參考軌跡之間的模最小為優(yōu)化目標(biāo),得到關(guān)節(jié)角的優(yōu)化軌跡。進(jìn)而采用零力矩點法分析機(jī)器人動態(tài)翻滾的穩(wěn)定性,得到了ZMP點相對于觸地點的偏置曲線,結(jié)果表明,加速度曲線的突變會造成ZMP振蕩,影響運(yùn)動穩(wěn)定性。再次,根據(jù)機(jī)器人翻滾運(yùn)動的動能和勢能,以及機(jī)器人非完整約束條件,建立了非冗余驅(qū)動條件下的拉格朗日動力學(xué)方程。并將基于影響系數(shù)法所得的被動關(guān)節(jié)關(guān)于主動關(guān)節(jié)的函數(shù)關(guān)系以及動態(tài)軌跡規(guī)劃所得到的關(guān)節(jié)運(yùn)動規(guī)律代入該動力學(xué)方程中,得出了四種加速度規(guī)律所對應(yīng)的廣義驅(qū)動力矩。然后,將機(jī)器人與障礙物的接觸點看作支點,分析機(jī)器人的越障能力,并將其轉(zhuǎn)化為約束條件下質(zhì)心運(yùn)動范圍的優(yōu)化問題。從而建立了包含結(jié)構(gòu)參數(shù)以及機(jī)器人與障礙物水平距離在內(nèi)的越障高度模型,并采用數(shù)值解法得到了越障高度隨翻滾角的變化曲線。進(jìn)而根據(jù)質(zhì)心運(yùn)動范圍及其內(nèi)凹的特點,遵循質(zhì)心運(yùn)動行程最短原則,規(guī)劃了機(jī)器人越障時的關(guān)節(jié)軌跡。最后對越障時的動力學(xué)進(jìn)行了建模與分析,得到機(jī)器人在越障過程中不發(fā)生滑移的摩擦系數(shù)。最后,制作、調(diào)試全尺寸物理樣機(jī)測試平臺,設(shè)計閉環(huán)控制系統(tǒng),開展機(jī)器人動態(tài)翻滾、準(zhǔn)靜態(tài)越障等試驗。機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動以軌跡規(guī)劃理論值與傳感器實測值之差作為控制信號。樣機(jī)試驗較好的驗證了理論分析的結(jié)果。本項目既是對閉鏈連桿機(jī)構(gòu)移動理論的發(fā)展,也是對新型運(yùn)動方式的實踐探索,具有重要的意義。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文外一個自由度用來提供輸出軸在任意偏擺方位上的自旋。全方位的偏擺運(yùn)動使得該機(jī)構(gòu)具有仿生物肢體運(yùn)動特征，連續(xù)自旋轉(zhuǎn)動則正是輪式移動所必需的。這種新型機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)滾動與步行運(yùn)動模式而無需轉(zhuǎn)換裝置，在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了“輪”與“腿”的合并，且不存在冗余裝置，結(jié)構(gòu)更為簡潔。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文外一個自由度用來提供輸出軸在任意偏擺方位上的自旋。全方位的偏擺運(yùn)動使得該機(jī)構(gòu)具有仿生物肢體運(yùn)動特征，連續(xù)自旋轉(zhuǎn)動則正是輪式移動所必需的。這種新型機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)滾動與步行運(yùn)動模式而無需轉(zhuǎn)換裝置，在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了“輪”與“腿”的合并，且不存在冗余裝置，結(jié)構(gòu)更為簡潔。

有仿生物肢體運(yùn)動特征，連續(xù)自旋轉(zhuǎn)動則正是輪式移動所必需的。這種新型機(jī)實現(xiàn)滾動與步行運(yùn)動模式而無需轉(zhuǎn)換裝置，在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了“輪”與“腿”的且不存在冗余裝置，結(jié)構(gòu)更為簡潔。7 新型輪-腿復(fù)合移動機(jī)器人及其滾動、步行模式 圖 1-8 新型仿生復(fù)合關(guān)天津大學(xué)田潤等人在對輪式機(jī)器人最佳輪輻數(shù)量研究的基礎(chǔ)上，采用三輪輻弧計了一種輪腿式移動機(jī)器人，如圖 1-9 所示[62]。采用三輪輻腿式結(jié)構(gòu)，對臺階有良好的通過性，而且在運(yùn)動過程中弧形腿還能起到很好的吸收振動作用。在上，該研究團(tuán)隊對三輪輻弧形腿復(fù)合機(jī)器人進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了一種具有水陸運(yùn)動能力的機(jī)器人，如圖 1-10 所示[63]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2829335