可重构式轮臂移动机器人的设计与仿真研究

论文摘要

可重构式机器人是根据外界环境的变化而实施重构来完成复杂工作任务的。目前国内外已提出的重构机器人大部分是通过群体的构型变化来实现特定功能,其单元模块不能独立作业或作业能力有限。论文在浙江省教育厅重点项目“可重构式轮臂移动机器人的设计与实验研究”资助下,研究可重构式轮臂移动机器人虚拟样机,完成了可重构式轮臂移动机器人的结构设计、运动学与动力学建模与仿真分析,对可重构式机器人系统的研究具有较大参考价值在可重构式轮臂移动机器人本体结构设计方面,通过拓扑分析和构型综合,提出具有径向可伸缩车轮机构、四自由度机械臂等特征可重构式轮臂移动机器人的设计方案,完成单体构型与重构构型的综合设计,确定可重构式轮臂移动机器人的技术性能参数,建立虚拟样机仿真模型。在运动学建模与仿真分析方面,通过对可重构式轮臂移动机器人的正逆运动学分析,建立了D-H坐标变换的正运动学模型,解得末状态条件下的逆解;分析可重构式轮臂移动机器人的雅可比变换,并举出两种方法的求解;利用ADAMS分别建立了机器人单体和两单体重构仿真模型,给出了机器人的转弯、越障、爬坡运动仿真;并分析运动过程中机器人行驶平顺性,得到主车体质心的变化、越障及爬坡路况下主车体的俯仰角、偏航角的变化曲线。在动力学建模与仿真分析方面,针对可重构式轮臂移动机器人运动环境,建立了轮地接触力学模型;利用多体系统动力学理论,建立了机械臂动力学模型;利用ADAMS软件对模型进行求解,获得机器人各部件的动力学参数曲线,即主车体的位移、速度及加速度曲线;主动轮、辅助轮的位移、速度、加速度、角速度和角加速度曲线;主车体动能、动量与相对主车体质心的动量矩曲线,为后续可重构式轮臂移动机器人的控制提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 可重构式移动机器人研究意义
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势
• 1.2.1 可重构式移动机器人国外研究现状
• 1.2.2 可重构式移动机器人国内研究现状
• 1.2.3 可重构式移动机器人构型表达研究现状
• 1.3 可重构移动机器人的发展趋势
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 可重构式轮臂移动机器人构型设计
• 2.1 引言
• 2.2 可重构式轮臂移动机器人单体设计
• 2.2.1 车轮构型设计
• 2.2.2 机械臂构型设计
• 2.2.3 主车体设计
• 2.3 可重构式轮臂移动机器人重构构型表达
• 2.3.1 可重构式轮臂移动机器人空间表达
• 2.3.2 两单体机器人重构构型的建立
• 2.4 本章小结
• 第3章 可重构式轮臂移动机器人总体设计
• 3.1 引言
• 3.2 可重构式轮臂移动机器人基本组成
• 3.3 可重构式轮臂移动机器人结构设计
• 3.3.1 径向可伸缩式车轮结构设计
• 3.3.2 主车体结构设计
• 3.3.3 机械臂结构设计
• 3.3.4 辅助轮和手爪结构设计
• 3.4 可重构式轮臂移动机器人三维实体和仿真模型
• 3.5 可重构式轮臂移动机器人技术参数
• 3.6 本章小结
• 第4章 可重构式轮臂移动机器人运动学建模与仿真
• 4.1 引言
• 4.2 可重构式轮臂移动机器人正运动学建模
• 4.2.1 运动方程简介
• 4.2.2 基于D-H 矩阵的正运动学建模
• 4.3 可重构式轮臂移动机器人逆运动学建模
• 4.4 可重构式轮臂移动机器人雅可比矩阵分析
• 4.5 可重构式轮臂移动机器人运动学仿真分析
• 4.5.1 单体运动仿真分析
• 4.5.2 两单体重构运动仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 可重构式轮臂移动机器人动力学建模与仿真研究
• 5.1 引言
• 5.2 可重构式轮臂移动机器人轮地接触力学模型
• 5.2.1 径向可伸缩式车轮展开力学分析
• 5.2.2 车轮运动力学分析
• 5.3 机械臂动力学建模
• 5.3.1 刚体动力学方程
• 5.3.2 速度计算
• 5.3.3 动能和位能计算
• 5.4 可重构式轮臂移动机器人动力学仿真分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读硕士学位期间参加的科研项目及发表的学术论文