阶梯攀爬机器人机械系统及关键技术的研究

发布时间：2017-08-02 11:20

  本文关键词：阶梯攀爬机器人机械系统及关键技术的研究

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【摘要】：在人造环境中,楼梯对于越障机器人是最特殊、最难跨越的障碍之一。本文通过深入对比分析各种爬楼越障机构及其相应攀爬对象的特点,针对楼梯台阶地,基于轮式和腿足式机器人的优点,设计了优势相对明显的变形轮组复合式结构爬楼越障装置。该方案兼顾了轮式、腿式、履带式结构的优点,提高了爬楼越障机器人的越障性能和通过性,克服了传统轮式、腿足式和履带式运动形式存在的缺陷。此外,本课题的另外两个创新点是:基于该爬楼越障装置设计了一种适合于该机器人的重心调节系统,提高了机器人的稳性;通过电磁离合器使机器人在不同作业环境实现两驱与四驱自由切换,降低了机器人的能耗,提高了机器人的越障能力。本论文的研究,为进一步研究和设计结构性能更优、控制智能更高的越障机器人搭建了良好平台。本文以阶梯攀爬机器人为研究对象,主要研究内容如下:1.本文采用理论分析、计算机仿真和实验分析相结合的方法,按照阶梯攀爬机器人的设计要求和作业环境要求,完成了阶梯攀爬机器人机械系统总体设计方案,包括机器人本体结构设计、机器人行走机构设计、机器人驱动器系统设计以及基于该机器人机械结构和行走系统,设计了一种适合于该机器人的微调式重心调节系统。2.本文在分析变形轮组复合式结构工作原理基础上,对机构进行了机构运动学分析;通过建立阶梯攀爬机器人在爬越楼梯过程中不同时刻的力学模型,论证了机器人实现任意曲线运动以及攀爬楼梯台阶地等障碍的可行性、稳定性以及越障性能,为改善机器人工作的稳定性提供了依据。阶梯攀爬机器人的驱动系统设计主要根据机器人的运动参数和所需的驱动扭矩,对电机、电磁离合器和舵机等驱动器元件进行选型。3.引入虚拟样机技术,通过Pro/E进行三维建模,然后通过无缝接口MECHANISM/Pro导入机械系统动力学仿真软件ADAMS进行运动仿真,得到了机器人爬越多级楼梯过程中车体倾角的变化规律和前后轮组功率的变化情况,通过分析找到了影响其波动的因素,并提出了改善意见。通过虚拟样机仿真分析,为下一步制作试验样机节约了成本。4.根据阶梯攀爬机器人主要结构设计参数,制作了试验样机,并对其相关性能进行了实验,通过实践验证了所设计的阶梯攀爬机器人具有很强的适应性、可行性和稳定性等特点。
【关键词】：阶梯攀爬机器人 变形轮 重心调节机构 虚拟样机技术 ADAMS
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-14
• 第1章 绪论14-22
• 1.1 课题的研究背景及意义14-15
• 1.2 爬楼越障机器人国内外研究概况及分析15-20
• 1.3 论文研究的目的及主要内容20-21
• 1.4 本章小结21-22
• 第2章 阶梯攀爬机器人机械系统总体设计22-42
• 2.1 引言22
• 2.2 阶梯攀爬机器人机械结构总体方案的确定22-25
• 2.2.1 阶梯攀爬机器人的设计要求22-23
• 2.2.2 阶梯攀爬机器人构型的建立23-25
• 2.3 阶梯攀爬机器人机械本体的设计25-28
• 2.3.1 机器人结构和传动设计25-26
• 2.3.2 机器人转向机构的设计26-27
• 2.3.3 机器人运动原理27-28
• 2.4 阶梯攀爬机器人行走系统具体结构设计28-36
• 2.4.1 变形轮结构设计与分析28-33
• 2.4.2 行星轮结构设计与分析33-36
• 2.5 阶梯攀爬机器人电器执行元件的选型36-40
• 2.5.1 技术指标36
• 2.5.2 电机的选型36-38
• 2.5.3 电磁离合器的选型38-39
• 2.5.4 舵机的选型39-40
• 2.6 阶梯攀爬机器人机械结构三维造型40-41
• 2.7 本章小结41-42
• 第3章 变形轮和重心调节系统的功能与理论分析42-64
• 3.1 引言42
• 3.2 ADAMS软件介绍42-47
• 3.2.1 ADAMS软件的特点及主要模块42-44
• 3.2.2 ADAMS仿真步骤44
• 3.2.3 ADAMS动力学分析理论44-47
• 3.3 变形轮相关功能分析与动力学分析47-54
• 3.3.1 变形轮设计原理与动力学分析47-52
• 3.3.2 变形轮动力学仿真分析52-54
• 3.4 阶梯攀爬机器人重心调节系统的设计分析54-63
• 3.4.1 机器人重心调节系统设计要求及方案确定54-55
• 3.4.2 机器人重心调节系统的机构分析55-56
• 3.4.3 机器人重心调节机构可靠性稳健设计56-58
• 3.4.4 重心调节机构运动仿真分析58-63
• 3.5 本章小结63-64
• 第4章 阶梯攀爬机器人越障性能与动力学分析64-76
• 4.1 引言64
• 4.2 阶梯攀爬机器人转向运动学分析64-66
• 4.3 阶梯攀爬机器人越障性能与稳定性分析66-69
• 4.3.1 阶梯攀爬机器人越障性能分析66-68
• 4.3.2 机器人爬越楼梯过程中的稳定性分析68-69
• 4.4 阶梯攀爬机器人平坦路面运动动力学分析69-72
• 4.4.1 机器人运动学方程的建立70-71
• 4.4.2 机器人动力学方程的建立71-72
• 4.5 阶梯攀爬机器人爬越楼梯动力学建模与分析72-75
• 4.6 本章小结75-76
• 第5章 阶梯攀爬机器人虚拟样机仿真分析与实验76-82
• 5.1 引言76
• 5.2 虚拟样机技术简介76
• 5.3 阶梯攀爬机器人虚拟样机仿真76-80
• 5.3.1 机器人虚拟样机仿真模型的建立76-78
• 5.3.2 机器人虚拟样机仿真结果及分析78-80
• 5.4 阶梯攀爬机器人样机试验与功能验证80-81
• 5.5 本章小结81-82
• 总结与展望82-84
• 总结82-83
• 展望83-84
• 参考文献84-89
• 致谢89-90
• 附录A 攻读硕士学位期间的研究成果90

【参考文献】

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本文编号：609018