一种小型机器人行走机构的设计与分析

论文摘要

本文以多用途移动机器人为研究对象,结合当前机器人技术的发展,提出所需要的功能和需要满足的性能和指标,设计出一种新型的机器人行走机构。机器人行走机构可做为探测、侦查、以及防爆等作业的搭载平台。通过对国内外移动机器人的整机性能以及移动机构的研究概况的调查分析,以及对现今国内外几种典型的移动机器人行走机构的研究比较,总结并综合了其各自的优缺点,结合本文所研究的机器人的功能,提出一种新型的机器人行走机构的虚拟样机模型。行走机构采用轮式、履带式和曲柄连杆结构的摆臂机构组合而成。对机器人行走机构模型在如壕沟、台阶等障碍的非结构环境下进行了越障和转向等运动分析,在此前提下进行机器人行走机构的结构尺寸设计,对机器人行走机构在平地和斜坡模式下所需的驱动电机功率进行了计算,并根据结果选用了Maxon直流伺服电机以及Eisele减速器。根据电机、减速器的结构尺寸以及行走机构的运动分析结果对机器人行走机构进行了包括驱动系统、摆臂系统以及曲柄连杆履带系统在内的机构设计。应用建模软件UG完成了对机器人行走机构零部件的三维参数化建模,创建机器人行走机构虚拟样机模型和典型的高台壕沟地形,并实现了UG三维虚拟样机模型向多刚体动力学软件ADAMS/VIEW的实体转换传递。在ADAMS/VIEW环境下对机器人虚拟样机模型的质量、材料、各部件的约束及驱动起始条件进行了设置。针对典型的非结构环境,对机器人行走机构样机模型进行了在壕沟、高台地形下的运动仿真,得到并验证了机器人行走机构运动速度、摆臂力矩以及驱动力矩是否满足实际条件下的需求,能否完成所提出的越障指标及性能。最后,针对论文现有设计,给出了进一步的改善优化建议,并对所设计的机器人行走机构的发展前景进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外移动机器人发展概况
• 1.2.1 国外研发概况
• 1.2.2 国内现状
• 1.2.3 国内外现状总结
• 1.3 移动机器人的发展趋势
• 1.4 论文研究内容与主要结构
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 论文章节结构
• 1.5 小结
• 2 移动机器人行走机构总体设计
• 2.1 行走机构总体方案设计
• 2.1.1 行走机构的总体设计要求
• 2.1.2 指标要求
• 2.2 几种典型移动机构的特点和性能分析
• 2.2.1 轮式移动机构
• 2.2.2 履带式移动机构
• 2.2.3 腿足式移动机构
• 2.2.4 行走机构总结
• 2.3 机器人运动基本理论
• 2.3.1 复合移动机构的运动条件
• 2.3.2 机构选型理论
• 2.4 行走机构方案设计
• 2.5 行走机构越障运动分析
• 2.5.1 爬坡运动分析
• 2.5.2 跨越壕沟运动分析
• 2.5.3 高台跨越运动分析
• 2.5.4 转向分析
• 2.6 小结
• 3 行走机构结构设计及参数化建模
• 3.1 行走机构驱动系统的设计
• 3.1.1 驱动系统的计算
• 3.1.2 电机及减速器的选取
• 3.1.3 电机的校验
• 3.1.4 摆臂电机选取
• 3.2 三维建模软件UG
• 3.2.1 三维软件UG NX 概述
• 3.2.2 UG 的三维造型策略
• 3.3 机器人行走机构结构设计
• 3.3.1 底盘的设计
• 3.3.2 履带的设计
• 3.3.3 其它部件设计
• 3.3.4 行走机构的三维建模装配
• 3.4 小结
• 4 机器人行走机构的仿真分析
• 4.1 ADAMS 软件功能及动力学概述
• 4.1.1 软件功能概述
• 4.1.2 软件动力学求解概述
• 4.2 ADAMS 仿真策略及步骤
• 4.2.1 模型的建立与检验
• 4.2.2 模型的导入与简化
• 4.2.3 ADAMS 中模型的特性设置
• 4.2.4 添加模型约束
• 4.2.5 施加载荷
• 4.3 机器人行走机构的仿真分析
• 4.3.1 模型自由度计算
• 4.3.2 仿真地形的建立
• 4.3.3 驱动的添加
• 4.3.4 运动仿真分析
• 4.4 结论
• 5 结论与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 存在的缺陷与建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文