可重构消防机器人机构分析与设计

论文摘要

传统消防车结构简单,缺乏足够的灵活性,面对复杂的非结构性灾害现场环境,其跨越障碍的能力有限,从而影响其消防救援工作的展开。为了克服上述缺点,继承举高消防车刚度高、承载能力大的优点,本文提出了具有冗余自由度的并联可重构模块化消防机器人的设计思想,并就此进行了以下几方面的研究工作:(1)消防机器人功能及机构设计分析。讨论了现有消防车部署要领、火灾环境特点、消防机器人功能,指出现有消防车避障能力不够。论文进一步分析了空间机器人空间运动方式、消防机器人避障运动特点和过程,探讨了避障运动机器人的设计方法,提出了并联可重构消防机器人概念,即以并联机器人机构为避障功能关节模块单元的可重构消防机器人。(2)可重构模块化并联机器人的模块单元综合与选型。文中提出了以并联机器人机构为可重构机器人模块单元,并对模块单元进行了综合与分选。a)本文基于单开链理论,综合了球面3自由度和对称3自由度并联机器人机构,共获得145种球面3自由度并联机器人机构和11种对称3自由度并联机器人机构,为该类并联机器人进一步设计研究分析提供理论基础。b)本文从综合得到的机构类型中选取结构简单且对称的3RPS并联机器人机构(S模块)作为并联可重构消防机器人的避障功能关节模块单元,以移动副单元(P模块)作为快速提升并联可重构消防机器人工作空间的功能模块单元及带有支持消防机器人工作臂起伏和旋转运动装置的消防车底盘为基础模块。(3)S模块的设计研究及优化。借助ADAMS软件,建立了S模块的参数化模型。以S模块的最大转动角度为优化目标,对3个设计参数(定平台外接圆半径、动平台外接圆半径和定平台外接圆半径的比率和驱动副连杆基础长度)进行尺度优化设计,获得了一组最佳设计参数。并进行了试验设计(DOE)研究,结果表明:3个设计参数在同时发生变化时,影响转动能力最主要因素是动平台外接圆半径和定平台外接圆半径的比率。(4)新型消防机器人避障原理研究。初步探讨了该类机器人的避障原理,规划了避障路径。通过避障实例计算和避障过程的ADASMS软件仿真,验证了上述避障原理的可行性。本文研究成果对于推动工业机器人、消防救援、无人探测及危险物处理等领域的技术和装备工业的发展有深远意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 举高消防车的历史及现状
• 1.2.1 消防车的发展与现状
• 1.2.2 消防车的基本运动
• 1.2.3 消防车技术的发展趋势
• 1.2.4 消防机器人的分类
• 1.3 并联机器人的发展、应用及其特点
• 1.3.1 并联机器人的发展、应用及研究现状
• 1.3.2 并联机器人的特点
• 1.4 可重构机器人发展及研究现状
• 1.4.1 国外可重构机器人的研究现状
• 1.4.2 国内可重构机器人的研究现状
• 1.4.3 可重构机器人的研究内容
• 1.4.4 可重构机器人的特点
• 1.5 本课题的意义
• 1.6 本文主要研究内容及创新
• 第2章 消防机器人功能及其机构设计分析
• 2.1 消防救援现场分析
• 2.1.1 云梯消防车部署要领
• 2.1.2 部分典型火灾现场特点分析
• 2.2 消防机器人功能分析
• 2.3 消防机器人工作结构及运动特点
• 2.3.1 全区域覆盖的空间机器人机构的结构及基本方式
• 2.3.2 消防机器人避障运动分析
• 2.3.3 避障消防机器人基本结构设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 可重构并联机器人机构模块的综合与选型
• 3.1 引言
• 3.1.1 模块、模块化定义
• 3.1.2 可重构模块化机器人系统的模块设计内容
• 3.2 球面3自由度及对称3自由度并联机构的型综合
• 3.2.1 并联机构的几种主要结构综合方法
• 3.2.2 3自由度球面并联机构的型综合
• 3.2.3 对称3自由度并联机器人拓扑结构型综合与分类
• 3.3 可重构模块化并联消防机器人模块的优选设计与分类
• 3.4 本章小结
• 第4章 S模块的优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 ADAMS功能概述
• 4.2.1 ADAMS的主要组件
• 4.2.2 用ADAMS建模、仿真的步骤
• 4.3 S模块的建模
• 4.4 S模块的设计研究
• 4.4.1 参数化模型
• 4.4.2 创建目标测试函数
• 4.4.3 初步仿真模型
• 4.4.4 细化模型确定S模块变量的取值范围
• 4.4.5 S模块的设计研究
• 4.5 S模块的试验设计
• 4.5.1 ADAMS的试验设计（DOE）简介
• 4.5.2 S模块的试验设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 可重构机器人的避障分析
• 5.1 引言
• 5.2 回避障碍控制算法
• 5.3 回避障碍空间机器人构形
• 5.4 计算实例及避障过程仿真
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果