【摘要】：拋投式機器人體積小、重量輕,便于單兵攜帶,可通過人工拋擲、彈射、空投等方式進(jìn)入復(fù)雜、狹窄、危險區(qū)域,實現(xiàn)快速部署。但此類機器人僅在小范圍平地機動,越障性能差,尤其在城市環(huán)境中,常見的樓梯和臺階成為其難以逾越的障礙。本文以XX預(yù)研項目為背景,研究一種可翻轉(zhuǎn)越障的拋投機器人,克服機器人體積、重量和攀爬樓梯、臺階等障礙的性能之間的矛盾。提出了連續(xù)翻轉(zhuǎn)大跨度越障的原理及結(jié)構(gòu)方案,在小型輪式底盤的基礎(chǔ)上,加裝翻轉(zhuǎn)擺臂組件輔助底盤翻轉(zhuǎn)。圍繞該方案進(jìn)行樣機設(shè)計,并展開運動學(xué)、動力學(xué)理論及試驗研究。以初始樣機為基礎(chǔ)進(jìn)行抗跌落仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化,滿足拋投使用需求。該研究可擴大拋投機器人使用范圍,對復(fù)雜空間抵近偵察具有重要意義。具體進(jìn)行以下研究工作:分析已有的小型越障機構(gòu),以體積小、重量輕和高越障性能為目標(biāo),提出一種連續(xù)翻轉(zhuǎn)大跨度越障原理及結(jié)構(gòu)方案。在小型輪式底盤的基礎(chǔ)上,設(shè)計翻轉(zhuǎn)擺臂組件,擺臂繞底盤中心旋轉(zhuǎn),當(dāng)擺臂觸及地面或臺階等物體時,在支反力作用下底盤向上抬升,底盤處于豎直姿態(tài)后,擺臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)下壓,迫使底盤向前傾倒并完成翻轉(zhuǎn)動作。機器人可通過底盤連續(xù)翻轉(zhuǎn)這種大跨度的運動實現(xiàn)爬樓梯功能。圍繞該結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行機械、控制系統(tǒng)設(shè)計,研制翻轉(zhuǎn)越障拋投機器人初始樣機。針對四固定輪底盤,建立平地機動運動學(xué)及動力學(xué)模型,結(jié)合不同工作狀態(tài),分析機器人直行、轉(zhuǎn)彎、爬坡狀態(tài)對動力特性的需求。將爬樓梯時底盤翻轉(zhuǎn)一次過程分為8個狀態(tài),建立完整的爬樓梯運動學(xué)模型,分析特征尺寸設(shè)計要求,并進(jìn)一步建立機器人特征尺寸與臺階高度的關(guān)系�；诘湫蜖顟B(tài)進(jìn)行受力分析,并提出爬樓梯穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn)及主要影響因素�；诙囿w動力學(xué)軟件RecurDyn及其控制模塊Colink建立機器人機械-控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型。其中機械系統(tǒng)包含結(jié)構(gòu)質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、摩擦阻力等信息;控制系統(tǒng)包含運動控制器模型及電機模型。借助該虛擬樣機進(jìn)行爬樓梯仿真,初步驗證底盤翻轉(zhuǎn)式爬樓梯方案的可行性,以及理論模型正確性;進(jìn)行機器人加速、轉(zhuǎn)彎、爬坡等仿真,對機器人最大速度、爬坡角度、轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩等性能、參數(shù)進(jìn)行預(yù)測�？沟涫菕佂稒C器人重要性能之一�；诜蔷�性有限元分析軟件ABAQUS對初始樣機進(jìn)行跌落仿真。針對機器人材料的沖擊響應(yīng)特性和損傷機理,選用3階Odgen模型描述橡膠超彈性本構(gòu)關(guān)系,以及Johnson-Cook模型描述金屬考慮應(yīng)變強化效應(yīng)的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。提出了四項跌落沖擊關(guān)注指標(biāo)及評估標(biāo)準(zhǔn),對初始樣機進(jìn)行三種典型姿態(tài)跌落仿真,判斷其抗沖擊性能并對關(guān)鍵部件存在問題進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上,從輪胎結(jié)構(gòu)、殼體材料、電機軸聯(lián)接方式、輪軸保護(hù)機構(gòu)方面提出四項改進(jìn)措施,并進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化。對改進(jìn)后樣機進(jìn)行仿真對比,結(jié)果表明機器人在結(jié)構(gòu)強度、過載加速度、關(guān)鍵部位受力等方面性能大幅度提高,機器人可承載5m跌落沖擊。利用研制的機器人初始樣機進(jìn)行多種類型樓梯攀爬試驗,結(jié)果表明翻轉(zhuǎn)式爬樓梯方案可行,特征尺寸設(shè)計合理,機器人對樓梯種類具有廣泛適應(yīng)性。對該樣機進(jìn)行平地機動、爬坡試驗,以及草地、碎石地、沙地、廢墟/瓦礫地行駛試驗,驗證了機器人機動性能以及復(fù)雜地面環(huán)境的通過性能,并對理論模型、虛擬樣機模型正確性做出驗證。對初始樣機輪式底盤進(jìn)行高度1m三種典型姿態(tài)跌落試驗,驗證了仿真模型的正確性。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP242


本文編號：2759819