本文關(guān)鍵詞：縮放變形連桿式移動系統(tǒng)的設(shè)計與控制

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【摘要】：摘要：與輪、履、腿等常規(guī)移動系統(tǒng)構(gòu)造理念截然不同,本文采用機構(gòu)學(xué)中復(fù)雜的空間連桿機構(gòu)整體用于構(gòu)造移動機構(gòu)機械本體的設(shè)計理念,提出一類連桿式移動系統(tǒng)的全新概念。以連桿式移動系統(tǒng)具備整體縮放折疊變形、模塊化設(shè)計、高機動性、多移動模式、快速響應(yīng)與移動、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性、運載能力、以及控制簡單等多優(yōu)勢特性為目的,致力于研究探索一類新型連桿式移動系統(tǒng)的設(shè)計方法與控制策略。在機構(gòu)設(shè)計上采用頂點單元與伸縮單元的模塊化構(gòu)造思想；構(gòu)型構(gòu)造上提出全移動副構(gòu)造、解耦型組合四面體構(gòu)造、可縮放立方體模塊化可重構(gòu)機器人構(gòu)造以及融合縮放折疊機構(gòu)的改進型并聯(lián)式移動機構(gòu)構(gòu)造理念；控制方法上采用一種二進制控制策略；以及驅(qū)動選型上選用氣動和液壓驅(qū)動方式。 本文從移動機構(gòu)變形機理闡釋、運動理論分析、動力學(xué)仿真及實物樣機實驗的多角度對連桿式移動機構(gòu)各項運動特性展開全面研究,主要研究工作如下： (1)從降低運動學(xué)模型建立的復(fù)雜度、提高機構(gòu)整體剛度、實現(xiàn)快速翻滾與構(gòu)造伸縮擴展變形的大內(nèi)部運載空間角度,提出構(gòu)型上采取全移動副構(gòu)造、驅(qū)動上利用微型氣缸作為二進制驅(qū)動器以及控制上融合二進制控制策略的連桿式移動機構(gòu)的全新設(shè)計理念,探索采用兩種頂點模塊構(gòu)造空間對稱的氣動縮放六面體連桿式移動機構(gòu)的拓展設(shè)計方法,闡釋移動機構(gòu)構(gòu)造特性,詳細(xì)分析移動機構(gòu)的運動可行性條件、運動步態(tài)及移動效率等。 (2)從拓展全移動副構(gòu)造的變形、移動與運載功能角度,融入模塊化與內(nèi)部隔腔式設(shè)計、二進制驅(qū)動與控制以及空間對稱性拓展組合構(gòu)造的設(shè)計理念,提出基于四面體與立方體構(gòu)型的兩類新型空間連桿式模塊化單元及同類模塊間組合構(gòu)造方法。重點探討融入二進制控制策略的解耦型組合四面體連桿式移動機構(gòu)與框架式晶格狀可縮放立方體模塊化可重構(gòu)機器人的機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計與組合方法,分析組合移動機構(gòu)的運動學(xué)與動力學(xué)特性及多模式運動能力。 (3)從多模式運動、縮放折疊大變形、機構(gòu)高剛度、模塊化設(shè)計、移動與操作功能集成、快速響應(yīng)及重載的設(shè)計角度出發(fā),融入并聯(lián)機構(gòu)的并聯(lián)式構(gòu)造思想,分別從利用單自由度過約束空間折疊機構(gòu)替代傳統(tǒng)并聯(lián)機構(gòu)上、下剛性平臺和利用平面縮放機構(gòu)替代傳統(tǒng)并聯(lián)機構(gòu)支鏈中的伸縮桿單元的進一步改進設(shè)計角度,提出一種可重構(gòu)平臺與一種縮放支鏈驅(qū)動的兩種并聯(lián)連桿式移動機構(gòu)構(gòu)造方法,探索新型連桿式移動機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計方法、多運動模式運動能力及其縮放折疊變形特性。 將空間連桿機構(gòu)整體用于構(gòu)造連桿式移動系統(tǒng)的全新設(shè)計理念為移動機器人家族提供了一種新型、有潛力的設(shè)計方案。對所提連桿式移動機構(gòu)新概念在機構(gòu)設(shè)計方法、驅(qū)動與控制技術(shù)、移動模式與縮放折疊變形等方面展開了深入探討與分析,為此類移動機構(gòu)的研究與應(yīng)用提供了理論支持與技術(shù)指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：連桿式移動系統(tǒng) 二進制控制 模塊化設(shè)計 頂點與伸縮桿構(gòu)造 多模式移動
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH112;TP242
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 引言14-41
• 1.1 課題提出14-15
• 1.2 連桿式移動系統(tǒng)研究現(xiàn)狀15-37
• 1.2.1 常規(guī)地面移動機器人15-16
• 1.2.2 規(guī)則幾何形態(tài)的連桿式移動機構(gòu)16-25
• 1.2.3 晶格狀自重構(gòu)模塊化機器人25-28
• 1.2.4 并聯(lián)式構(gòu)造連桿式移動機構(gòu)28-31
• 1.2.5 折疊縮放變形空間連桿機構(gòu)31-34
• 1.2.6 基于二進制控制策略的連桿式機構(gòu)的研究與應(yīng)用34-37
• 1.3 研究動機、對象及意義、內(nèi)容37-41
• 1.3.1 研究動機37
• 1.3.2 研究對象及意義37-39
• 1.3.3 研究內(nèi)容39-41
• 2 全移動副構(gòu)造可縮放六面體連桿式移動機構(gòu)41-63
• 2.1 構(gòu)造可縮放六面體連桿式移動機構(gòu)41-45
• 2.1.1 構(gòu)造過程描述41
• 2.1.2 構(gòu)造分析41-43
• 2.1.3 驅(qū)動分析43-45
• 2.2 動能力分析45-58
• 2.2.1 步行運動功能分析46-50
• 2.2.2 翻倒運動功能分析50-58
• 2.3 二進制控制策略58-59
• 2.4 樣機設(shè)計和實驗59-62
• 2.5 本章小結(jié)62-63
• 3 組合四面體連桿式移動機構(gòu)63-87
• 3.1 機構(gòu)描述63-67
• 3.1.1 組合四面體構(gòu)造過程描述63-65
• 3.1.2 組合四面體移動連桿機構(gòu)運動本質(zhì)65
• 3.1.3 2-四面體與5-四面體機構(gòu)構(gòu)造分析65-67
• 3.2 二制控制策略67
• 3.3 運動學(xué)模型建立67-72
• 3.3.1 子坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系建立68-69
• 3.3.2 子坐標(biāo)系下各頂點坐標(biāo)求解69
• 3.3.3 Sub-Local坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與局部坐標(biāo)系各點坐標(biāo)求解69-71
• 3.3.4 5-四面體Local-World坐標(biāo)轉(zhuǎn)換71-72
• 3.4 穩(wěn)定性分析72-83
• 3.4.1 單個四面體構(gòu)造74-75
• 3.4.2 2-四面體構(gòu)造移動連桿機構(gòu)75-79
• 3.4.3 5-四面體構(gòu)造移動連桿機構(gòu)79-83
• 3.5 樣機設(shè)計與系統(tǒng)實驗83-86
• 3.5.1 實驗硬件系統(tǒng)83-84
• 3.5.2 樣機實驗84-86
• 3.6 本章小結(jié)86-87
• 4 可縮放立方體模塊化機器人87-118
• 4.1 PE-Cube模塊化機器人描述87-90
• 4.1.1 PE-Cube單模塊構(gòu)造描述87-88
• 4.1.2 PE-Cube多模塊拓展構(gòu)造描述88-89
• 4.1.3 PE-Cube模塊驅(qū)動和控制策略89-90
• 4.2 一維拓展構(gòu)造90-96
• 4.2.1 3-Cube和4-Cube組合構(gòu)造90-92
• 4.2.2 4-Cube組合構(gòu)型Ⅰ棱邊步行運動特性分析92-94
• 4.2.3 4-Cube組合構(gòu)型Ⅱ兩種步行步態(tài)運動特性分析94-96
• 4.3 二維拓展構(gòu)造96-104
• 4.3.1 4-Cube至8-Cube組合96
• 4.3.2 4-Cube組合“田”字構(gòu)型滾動特性分析96-103
• 4.3.3 二維拓展8-Cube構(gòu)造描述與運動規(guī)劃103-104
• 4.4 三維拓展構(gòu)造104-111
• 4.4.1 n-Cube拓展組合104-105
• 4.4.2 三維拓展8-Cube構(gòu)造描述、運動分析與樣機實驗105-106
• 4.4.3 三維拓展32-Cube構(gòu)造的運動能力分析106-111
• 4.5 氣動PE-Cube模塊化機器人實驗系統(tǒng)和樣機實驗111-117
• 4.5.1 實驗硬件系統(tǒng)描述111-113
• 4.5.2 三種4-Cube組合構(gòu)型樣機實驗113-115
• 4.5.3 8-Cube滾動和轉(zhuǎn)向運動實驗115-116
• 4.5.4 實驗結(jié)果分析與運動性能探討116-117
• 4.6 本章小結(jié)117-118
• 5 可重構(gòu)平臺并聯(lián)連桿式移動機構(gòu)118-147
• 5.1 機構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析118-121
• 5.1.1 機構(gòu)設(shè)計118-119
• 5.1.2 縮放變形、運動步態(tài)規(guī)劃和奇異位置描述119-121
• 5.1.3 移動能力描述121
• 5.2 移動機構(gòu)運動學(xué)121-130
• 5.2.1 普通面對稱Bricard機構(gòu)參數(shù)與閉環(huán)方程121-125
• 5.2.2 特殊3-RPS并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)分析125-128
• 5.2.4 兩類機構(gòu)參數(shù)化組合裝配分析128-130
• 5.3 運動分析130-141
• 5.3.1 自身變形運動描述130
• 5.3.2 全方位移動分析130-138
• 5.3.3 穿越狹縫運動分析138-141
• 5.4 樣機實驗141-146
• 5.4.1 實驗的機器人系統(tǒng)141-144
• 5.4.2 樣機移動實驗144-146
• 5.5 本章小結(jié)146-147
• 6 縮放支鏈并聯(lián)連桿式移動機構(gòu)147-168
• 6.1 機構(gòu)分析與步態(tài)規(guī)劃147-149
• 6.1.1 機構(gòu)組成分析147-148
• 6.1.2 機構(gòu)自由度分析148
• 6.1.3 步態(tài)規(guī)劃和奇異位置分析148-149
• 6.2 移動機構(gòu)運動學(xué)模型149-154
• 6.2.1 平面縮放支鏈運動學(xué)模型150-151
• 6.2.2 最優(yōu)路徑下的3-RPS并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)分析151-152
• 6.2.3 移動機構(gòu)整體運動學(xué)模型建立152-154
• 6.3 翻滾運動過程分析154-157
• 6.3.1 3-RPS狀態(tài)至3-SPR狀態(tài)翻滾分析155-156
• 6.3.2 3-SPR狀態(tài)至3-RPS狀態(tài)翻滾分析156-157
• 6.4 動力學(xué)仿真分析157-163
• 6.4.1 四種運動狀態(tài)的仿真158-161
• 6.4.2 仿真過程中液壓缸行程、速度與推力數(shù)據(jù)采集與分析161-163
• 6.5 實驗系統(tǒng)平臺與運動實驗163-167
• 6.5.1 實驗系統(tǒng)平臺163-164
• 6.5.2 翻滾實驗164-166
• 6.5.3 并聯(lián)平臺功能演示166-167
• 6.6 本章小結(jié)167-168
• 7 結(jié)論與展望168-171
• 7.1 結(jié)論168-169
• 7.2 展望169-171
• 參考文獻171-179
• 作者簡歷及攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果179-182
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集18

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本文編號：1098828