欠驱动履带式移动机器人系统设计与仿真研究
目录
摘要................................................................................................................................. I 第一章绪论. (1)
1.1 引言 (1)
1.2 欠驱动机器人国内外研究现状 (1)
1.2.1差动式欠驱动机器人 (2)
1.2.2 兼容式欠驱动机器人 (3)
1.2.3被动/触发式欠驱动机器人 (4)
1.3 履带式移动机器人国内外研究现状 (4)
1.3.1 单节双履带式移动机器人 (4)
1.3.2 双节四履带式移动机器人 (5)
1.3.3 多节多履带式移动机器人 (6)
1.3.4 多节轮履复合式移动机器人 (6)
1.3.5 自重构式履带式移动机器人 (7)
1.4 欠驱动履带式移动机器人研究状况 (8)
1.4.1欠驱动可变形履带式移动机器人 (8)
1.4.2 欠驱动辅助摆臂履带式移动机器人 (8)
1.4.3 欠驱动摆臂履带式移动机器人 (9)
1.5 欠驱动履带式移动机器人发展趋势分析 (9)
1.6 本文的主要研究内容 (10)
第二章欠驱动履带式移动机器人构型综合 (12)
2.1引言 (12)
2.2欠驱动履带式移动机器人系统功能简介 (12)
2.3欠驱动履带式移动单元构型设计 (12)
2.3.1 移动单元设计流程 (12)
2.3.2 移动单元差动传动模块选型 (14)
2.3.3 移动单元差动传动模块构型设计 (15)
2.3.4 移动单元方案设计 (18)
2.4欠驱动履带式移动机器人主车体选型 (19)
2.5欠驱动履带式移动机器人机械臂构型设计 (20)
2.5.1 机械臂自由度选定 (20)
2.5.2 机械臂关节配置方式综合 (20)
2.6欠驱动履带式移动机器人系统构型设计 (22)
2.7本章小结 (23)
第三章欠驱动履带式移动机器人结构设计 (24)
3.1引言 (24)
3.2欠驱动履带式移动机器人技术要求 (24)
3.3欠驱动履带式移动单元模块化设计 (25)
3.3.1 移动单元传动比分配 (25)
3.3.2 移动单元齿轮结构优化 (25)
3.3.3 移动单元电机组件选定 (28)
3.3.4 移动单元主要部件设计 (29)
3.3.5 移动单元模块化设计总成 (32)
3.4欠驱动履带式移动机器人主车体结构设计 (33)
3.5欠驱动履带式移动机器人机械臂结构设计 (33)
3.5.1 机械臂关节舵机选型与配置 (34)
3.5.2 机械臂末端执行器结构设计 (35)
3.6欠驱动履带式移动机器人结构总成 (36)
3.7本章小结 (36)
第四章欠驱动履带式移动机器人力学特性分析 (37)
4.1 引言 (37)
4.2 欠驱动履带式移动机器人运动学分析 (37)
4.2.1机器人运动学位姿描述方法简介 (37)
4.2.2欠驱动履带式移动机器人正运动学建模 (37)
4.2.3欠驱动履带式移动机器人逆运动学建模 (40)
4.2.4 欠驱动履带式移动机器人运动学仿真 (42)
4.3 欠驱动履带式移动机器人动力学分析 (47)
4.3.1 移动单元动力学建模 (47)
4.3.2 移动单元动力学仿真 (51)
4.4 欠驱动履带式移动机器人关键组件结构动力学分析 (54)
4.4.1 运动模式下机械臂模态分析 (55)
4.4.2 差动轮系模态分析 (56)
4.5 本章小结 (57)
第五章欠驱动履带式移动机器人通过性分析 (58)
5.1 引言 (58)
5.2 欠驱动履带式移动机器人履地接触建模 (58)
5.2.1 地面基本力学模型 (58)
5.2.2 履地相互作用模型 (59)
5.3 基于Recurdyn的机器人仿真模型构建 (61)
5.4 几种典型地形的机器人通过性仿真 (63)
5.4.1 平地面通过性仿真分析 (63)
5.4.2 随机地面通过性仿真分析 (66)
5.5 本章小结 (71)
第六章总结与展望 (72)
6.1 结论 (72)
6.2 展望 (72)
参考文献 (73)
致谢 (77)
攻读硕士学位期间的研究成果和参与项目情况 (79)
附录 (80)
第一章绪论
1.1 引言
自20世纪70年代，斯坦福国际研究院（SRI）的Nils和Charles Rosen等人研制出Shakey的自主移动机器人[1-2]开始，世界上诸多研究者开始了对移动机器人的广泛研究。移动机器人可应用于人类不宜进入的场合执行任务，如：星球探测、抢险救灾、反恐排爆、军事侦察等。移动机器人包括轮式、腿式和履带式等类型。轮式移动机器人控制简单、稳定性好、能耗低，但越障能力有限[3-6]。腿式移动机器人适应性强，但控制复杂、稳定性差且移动速度较慢[7-8]。履带式移动机器人则因其良好的综合机动性能[9]，一直是移动机器人研究的重点和热点。
论文研究提出的一种对复杂地面环境具有适应能力的、多运动模式、多运动姿态、控制便捷、低能耗的欠驱动履带式移动机器人，是一种将欠驱动机构（差动轮系）运用到履带式移动机器人摆臂越障的机器人。传统自主越障式履带机器人的履带系统通常在摆臂和主动轮各设置一个动力源，而欠驱动履带式移动机器人履带系统可以通过地形作为摆臂输入，为单输入双输出的机械系统。此种欠驱动越障方式在降低机器人能耗和简化控制系统方面效果显著。欠驱动履带式移动机器人结合欠驱动、模块化技术，必将推动履带式移动机器人在空间探测、灾难搜救、军事行动等领域的更广泛应用。
1.2 欠驱动机器人国内外研究现状
欠驱动机器人相对于全驱动机器人，具有结构简单、能耗低、经济性好等特点。国外较具代表性的欠驱动机器人有：日本东京科技大学的欠驱动柔性机器人[10]、加拿大Laval 大学的高欠驱动机械手SARAH[11]、麻省理工学院（MIT）的欠驱动步行机器人[12]。国内对欠驱动机器人的研究较有影响力的有：清华大学张文增团队的欠驱动机器人手指[13]、武汉理工大学谭跃刚等人研制的欠驱动机械臂[14]、上海交通大学的肌电控制欠驱动仿人假肢手等[15]。
综合国内外对欠驱动机器人的研究，按采用欠驱动机构分类，主要包括：差动式、兼容式、被动/触发式等欠驱动机器人。