新型复合式仿生轮—腿机构运动学及动力学研究

论文摘要

移动机器人已经广泛应用于侦查、营救、排爆、探测、采矿、娱乐、竞技等诸多行业,在军事、安全、生产、生活以及科学研究中扮演着越来越重要角色。随着移动机器人应用领域的不断拓展,对移动性能的要求不断提高,各种混合式移动机构相继问世。轮-腿混合式移动机构继承了轮式和腿式移动的优点,既能够保持较高的移动效率,又具有良好的通过性能,是传统混合式移动机构中研究较多的一种,已经取得了大量研究成果。但是,分析现有轮-腿混合式移动机构,其结构仍然存在一些值得改进和完善的不足之处,例如为实现既定功能而增加的附加装置、驱动器配置方式、特定运动模式下的机构冗余等,这些问题的存在不但增加了结构设计难度,往往还会对机构动态性能造成一定影响,给控制系统设计带来一定困难。本文提出一种新型复合式仿生轮-腿机构,它独特的结构特征和运动实现原理明显不同于现有轮-腿混合式移动机构,避免和纠正了上述轮-腿混合式移动机构中的不足之处,对这种新型机构进行深入研究对于高性能移动平台的开发具有一定的参考价值。围绕本文提出的新型复合式仿生轮-腿机构,开展了一系列的研究工作:对所提出的轮-腿机构进行了结构和功能实现原理分析,并针对混合式轮-腿机构的不足,总结归纳了其结构特点。轮-腿机构具有全新的结构特点和运动实现方式,论文从其形成原理入手,从具有相似功能的常见机构的结构特点出发,分析了它的结构特征及轮、腿、轮-腿复合三种运动功能的实现过程,概括了其有别于混合式轮-腿机构的结构特点。对仿生关节机构传动过程中接触力的时变特征进行了深入研究,得到了时变刚度系数曲线。仿生关节是轮-腿机构的主要结构和功能单元,受结构影响,关节传动过程中轮齿间接触力具有时变特征。论文利用微分几何相关方法和定理,分析了齿面的曲面特征,研究了单、双齿啮合区间变化规律,建立了反向啮合点位置求解方程,基于Hertz静力接触理论得到了接触刚度系数的变化曲线,为机构的动力学研究奠定基础。对所提出的轮-腿机构进行了运动学分析,给出了运动学正解和逆解方程。在运动学分析中,定义了用于准确描述机构运动状态的三个关键参数和用于运动分析的一个重要平面,即方位角、偏转角、偏转轴和偏摆平面,灵活运用连续变换的余弦变换矩阵和一次有限转动的欧拉定理,充分利用机构的结构特点,建立了机构在不同运动方式下的运动模型。将牛顿-欧拉法应用到轮-腿机构动力学分析当中,建立了机构的动力学模型。文中对车轮和地面之间的作用力对轮-腿机构的作用效果进行了分析,对仿生关节传动过程中接触力及其力臂的表达式进行了推导,对构件的运动姿态和惯性力、惯性力矩进行了求解,分别应用牛顿和欧拉定理建立了构件的平衡方程。最后,为满足实际需要,还研究了由模型计算所得驱动力向惯性系转换方法。进行了轮-腿机构的运动学和动力学虚拟样机试验,对机构功能实现的可行性进行检验和评估,并将试验结果与理论模型仿真结果进行对比,从而对模型描述机构运动和动力特征的可信度做出判断。论文研究了虚拟样机技术在轮-腿机构上的应用,并对试验内容、方法和过程进行了详细介绍。文中以样条曲线作为IMPACT函数的关键参数定义了虚拟样机中接触碰撞的力学行为,对关键构件的运动参数和受力状况进行了分析,对接触力的变化规律进行了观测,结果表明轮-腿机构能够实现既定功能。通过将试验数据与理论计算结果比较可以发现两者误差很小,说明本文所建立模型能够真实反映机构的运动特性。设计了轮-腿机构和多运动态轮-腿移动平台物理样机,初步运动学试验表明轮-腿机构完全能够实现设计运动形式,基于该机构的移动平台能够实现直行、斜行、原地转弯、跨步、小半径转弯等多种移动姿态,具有较好的移动性能和环境适应能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题研究背景
• 1.1.3 课题研究的意义
• 1.2 轮-腿混合式移动机构国内外研究现状
• 1.2.1 典型轮-腿混合式移动机构
• 1.2.2 现有轮-腿混合式移动系机构结构分类
• 1.2.3 现有轮-腿混合式移动系统结构分析
• 1.3 机器人运动学和动力学研究方法
• 1.3.1 机器人运动学研究方法
• 1.3.2 机器人动力学研究方法
• 1.3.3 机械系统运动学、动力学现代分析方法
• 1.4 论文研究的主要内容
• 第二章 新型复合式仿生轮-腿机构的结构分析
• 2.1 新型复合式仿生轮-腿机构
• 2.2 仿生关节机构的结构及运动特性分析
• 2.3 轮-腿机构的结构形式及其运动原理
• 2.3.1 柔性传动机构
• 2.3.2 驱动机构
• 2.3.3 轮-腿机构运动原理分析
• 2.4 轮-腿机构结构特点分析
• 2.5 新型多运动态轮-腿移动平台
• 2.6 本章小结
• 第三章 仿生关节传动过程的时变特征研究
• 3.1 环形渐开面及其方程
• 3.2 环形渐开面任意点处的主曲率
• 3.3 仿生关节三种运动模式下的主曲率计算
• 3.4 仿生关节全方位偏摆运动啮合过程分析
• 3.5 主动齿轮转角与单、双齿啮合区间的确定
• 3.6 仿生关节全方位偏摆运动单、双齿啮合区间的确定
• 3.7 仿生关节全方位偏摆运动反向啮合点位置的确定
• 3.8 仿生关节传动时变刚度系数研究
• 3.8.1 基于Hertz 理论的球齿轮接触刚度系数定义
• 3.8.2 时变刚度系数计算实例
• 3.8.3 时变刚度系数曲线特征分析
• 3.9 本章小结
• 第四章 轮-腿机构运动学分析
• 4.1 仿生关节机构全方位偏摆的运动学分析
• 4.1.1 坐标系定义
• 4.1.2 相关参数定义
• 4.1.3 仿生关节在偏摆平面内的传动特性
• 4.1.4 有限转动余弦变换矩阵的确定
• 4.1.5 仿生关节机构运动学分析
• 4.2 驱动机构运动学分析
• 4.2.1 坐标系定义及驱动机构初始参数
• 4.2.2 姿态参数的变换
• 4.2.3 推力环偏摆运动的逆运动学分析
• 4.2.4 推力环偏摆运动的正运动学分析
• 4.3 柔性传动机构运动学分析
• 4.3.1 一级系杆的空间姿态
• 4.3.2 坐标系定义
• 4.3.3 考虑自旋的柔性传动机构偏摆运动正向运动学分析
• 4.3.4 考虑自旋的柔性传动机构偏摆运动的逆运动学分析
• 4.3.5 考虑偏摆的柔性传动机构自旋运动分析
• 4.4 速度、加速度分析
• 4.4.1 正向速度、加速度分析
• 4.4.2 反向速度、加速度分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 轮-腿机构动力学分析
• 5.1 轮-腿机构中构件惯性力（矩）的计算
• 5.1.1 符号的物理意义
• 5.1.2 递推的牛顿-欧拉动力学方程
• 5.1.3 柔性传动机构的牛顿-欧拉递推
• 5.1.4 驱动机构的牛顿-欧拉递推
• 5.2 地面对车轮的作用力在输出轴系内的方位
• 5.2.1 地面对车轮的作用力
• 5.2.2 力系和车轮的相对姿态
• 5.2.3 力系和车轮的相对位置
• 5.2.4 作用力由力系到车轮的变换
• 5.3 仿生关节传动中齿面接触力和力臂的确定
• 5.4 牛顿-欧拉法进行轮-腿机构的受力分析
• 5.5 电机驱动力（矩）在惯性系内的表示
• 5.6 本章小结
• 第六章 轮-腿机构的试验验证
• 6.1 ADAMS 环境下的接触力定义
• 6.2 虚拟样机试验
• 6.2.1 试验实例
• 6.2.2 虚拟样机的建立
• 6.2.3 轮-腿机构运动学虚拟样机试验
• 6.2.4 轮-腿机构动力学虚拟样机试验
• 6.2.5 多运动态轮-腿移动平台的虚拟样机试验
• 6.3 物理样机试验
• 6.3.1 轮-腿机构的物理样机试验
• 6.3.2 多运动态轮-腿移动平台的物理样机试验
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 1 发表的论文
• 2 申请专利
• 附录A 利用连续旋转变换求解输出轴在惯性系姿态