履带式移动机器人建模与动态仿真研究

论文摘要

机械系统运动学与动力学仿真技术是针对复杂机械系统研究的新兴技术,在履带式移动机器人研究领域,该技术在实现履带式移动机器人的通用性、地形适应性、便携和微小化方面发挥了极大的优势,因而被广泛采用。本论文基于履带式移动机器人的行驶理论、借助于多体动力学分析软件RecurDyn对其进行动态仿真研究。本论文的难点是履带式移动机器人动力学模型的建立。采用RecurDyn软件内置的CAD模块,选择合理尺寸及材料参数,首先,建立高、低速履带式移动机器人的车体的几何模型;其次,经过几何实体的多次编辑,逐步建立驱动轮、诱导轮、负重轮、平衡肘与履带构成高速履带式移动机器人移动机构的几何模型,以及驱动轮、诱导轮、负重轮、托带轮与履带构成低速履带式移动机器人移动机构的几何模型;根据各自两部分的几何关系装配,分别建立高速、低速履带式移动机器人的整体几何模型;在此基础上,在各部件之间施加尽可能符合实际的结构约束和力约束,创建高速履带式移动机器人与低速履带式移动机器人的动力学模型。以低速履带式移动机器人的动力学模型为例,仿真分析爬坡运动与转向运动。其一,在爬坡运动仿真过程中,一方面根据贝克理论定义路面,选择硬质土壤路面,在7.5°及15°的坡面,于驱动轮上施加IF函数运动约束,得到履带式移动机器人模型的位移、速度、加速度以及驱动转矩变化规律;另一方面,分析模型在硬质土壤与泥质土壤两种不同的路面下,相同坡面(7.5°或15°)的驱动转矩;在7.5°与15°两种不同的坡面下,相同路面(硬质或泥质路面)的驱动转矩,验证驱动轮与履带简化为滑轮与带的理论分析的合理性,于驱动轮施加的IF函数运动约束的合理性以及动力学模型的可行性。其二,在转向运动仿真过程中,采用双侧后轮独立驱动,在驱动轮上分别施加STEP函数运动约束,一方面设置无沉陷路面,实现原地90°转向,得到履带式移动机器人模型转动角位移、角速度、角加速度及两侧驱动轮角速度、转矩的变化规律;另一方面设置硬质土壤路面,实现弯道内90°转向、坡上90°转向,得到履带式移动机器人模型线位移(坡上90°转向)、转动角位移、角速度、角加速度及两侧驱动轮角速度、转矩的变化规律,验证于驱动轮施加的STEP函数运动约束的合理性,进一步说明创建的低速履带式移动机器人动力学模型的可行性。仿真方法具有一定的可信度,为今后的仿真建模及履带式移动机器人模块化设计提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 履带式移动机器人动态仿真的研究概况
• 1.2.1 国内履带式移动机器人动态仿真的研究概况
• 1.2.2 国外履带式移动机器人动态仿真的研究概况
• 1.3 本文的工作
• 第二章 履带式移动机器人行驶理论基础
• 2.1 履带式移动机器人行驶原理
• 2.2 履带式移动机器人直线行驶理论
• 2.2.1 直线行驶履带运动分析
• 2.2.2 直线行驶外力分析
• 2.2.3 直线行驶动力学方程
• 2.3 履带式移动机器人转向行驶理论
• 2.3.1 转向行驶运动学
• 2.3.2 转向行驶外力及转向动力学
• 第三章 动力学模型的建立
• 3.1 高速履带式移动机器人建模
• 3.1.1 高速履带式移动机器人几何建模
• 3.1.2 施加约束
• 3.2 低速履带式移动机器人建模
• 3.2.1 低速履带式移动机器人几何建模
• 3.2.2 施加约束
• 3.3 本章小结
• 第四章 履带式移动机器人动态仿真
• 4.1 构建路面与运动约束函数简介
• 4.1.1 路面设置
• 4.1.2 路面构建
• 4.1.3 运动约束函数简介
• 4.2 硬质、泥质土壤路面属性
• 4.3 施加驱动轮运动约束
• 4.3.1 IF 运动约束函数简介
• 4.3.2 施加驱动轮 IF 函数运动约束
• 4.4 硬质土壤路面爬坡仿真
• 4.4.1 7.5°爬坡仿真
• 4.4.2 15°爬坡仿真
• 4.5 分析同一坡面两种路面类型驱动转矩
• 4.5.1 分析7.5°坡面下硬质、泥质路面驱动转矩
• 4.5.2 分析15°坡面下硬质、泥质路面驱动转矩
• 4.6 分析同一路面类型两种坡面驱动转矩
• 4.6.1 分析硬质土壤路面下7.5°、15°坡面驱动转矩
• 4.6.2 分析泥质土壤路面下7.5°、15°坡面驱动转矩
• 4.7 原地90°转向仿真
• 4.7.1 STEP 运动约束函数简介
• 4.7.2 仿真及结果分析
• 4.8 弯道内90°转向仿真
• 4.9 坡上90°转向仿真
• 4.10 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介