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《北京交通大学》 2018年
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可重构多模式地面移动机器人的构型设计与性能研究

李晔卓  
【摘要】:随着地面移动机器人技术的发展,无人化系统已成为一大趋势,这就要求移动机器人在无人对其进行操控的自主运动情况下,对复杂的移动环境(如星球探测,地震救援等)有着更强的适应能力,因此对机器人移动系统的构型相比于有人操控的车辆有着更为苛刻的要求。可变形传统式、混合式以及其他新型移动机构也不断被提出和开发用于提高机器人的地面移动能力。本文将机构学中连杆机构与机器人学中机器人相融合,提出一类新概念的“可重构多模式地面移动链”,即由若干运动链和平台/顶点组成,可通过机构变形进行自身拓扑结构的变化,以实现多种移动方式(如类履带式、腿足式、轮式或球式等)在同一套移动机构上的集成和切换,并可实现在任意姿态下的移动功能或复位功能。同时提出并系统性地开展了多模式地面移动链的演化设计流程研究。并且提出闭链连杆机构特有的类履带式移动模式,利用连杆机构与移动环境中地面形状相结合的灵活变形特性提升机构的越障能力。基于该思想,本论文分别针对三支链并联移动机构(3-RRR、3-RSR)和四支链并联式移动机构(4-R(3R')R、4-R(5R')R),对多模式地面移动链的构型设计、模式拓扑分析和越障能力分析方法以及多模式移动链路径规划策略(CGD路径规划策略)进行了探索研究。具体研究内容如下:(1)基于机构创新设计方法和杆件复用原则,总结得到链组数目演化、链组内部演化和杆件形式演化三种基本演化规则,形成一般化、推理演化、特定化、具体化的“多模式地面移动链”演化设计构造过程。(2)根据杆件形式演化规律提出一种单自由度的多模式3-RRR滚动机构。在此基础上,利用奇异位置原理和冗余电机配置对机构进行设计,获得多模式3-RSR滚动机构,以实现在模式切换过程中的自由度变化,并能够实现单自由度的折叠功能和三自由度的滚动功能。(3)根据链组数目演化规律提出多模式4-RSR并联移动机构。利用等效平面分析原理,实现瓦特链式和6R链式两种滚动模式的融合。利用并联机构运动特性实现该机构的滚动和操作功能集成设计。并提出用作工业智能辅助机器人使用的可行性概念,可通过配备照明灯和工具盒等设备,以满足在狭小空间维护、组装和检测的工作需要。(4)根据链组内部演化规律提出多模式4-R(3R')R并联移动机构。通过奇异位置切换以改变自由度和拓扑结构的方法实现类履带式、开链足式与类轮式多模式的集成设计,并提出利用邻接矩阵和转换方程对各模式下拓扑结构分析的方法,以作为后续运动学、移动能力等分析的基础。并进一步利用链组内部自由度演化规律与可变运动支链设计思想提出多模式4-R(5R')R并联移动机构,使其能够重构为不同的拓扑结构以实现三种移动模式(类履带式移动模式下,闭链腿足式移动模式和轮式移动模式),及其对应的七种步态(类履带式滚动,台阶与斜坡攀爬步态,沟壑跨越步态,对角步行步态,轮式快速移动步态和转向方向步态)。以此方法所提出的多模式设计极大地提高了移动机构的地面环境适应能力,亦为具有高适应性的地面移动平台提供了所需的设计思路与关键技术。(5)针对本论文所提出的类履带式移动模式,利用机构变形实现杆件与地面的主动贴合,进行越障步态规划并建立运动学模型以进行基本障碍(台阶、斜坡和沟壑)环境下的越障能力分析。实现并验证相较于传统移动方式(轮式、履带式、腿足式)在同等尺寸下具有更强的越障能力。并且基于棋盘式网格划分(chessboard-shaped grid division,CGD)建立适用于多模式地面移动链的最少耗时和最短距离路径规划策略。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP242

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