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基于变形轮的多功能作业机器人控制系统设计

新型工业化 2022年第1期12卷 200-202页

作者：刘帅陈少南李兵中广核研究院有限公司广东深圳518000

目前,我国的破拆工程机械基本上采用人工操作方式,这不仅要求驾驶员具有较高的驾驶水平,而且作业的劳动强度较大。而智能化的多功能作业机器人由于其安全可靠、工作灵活、劳动生产率高,已经越来越被人所需求。基于变形轮的多功能作业机... 详细信息

目前,我国的破拆工程机械基本上采用人工操作方式,这不仅要求驾驶员具有较高的驾驶水平,而且作业的劳动强度较大。而智能化的多功能作业机器人由于其安全可靠、工作灵活、劳动生产率高,已经越来越被人所需求。基于变形轮的多功能作业机器人是基于高危环境特点开发的一种遥控及自动多功能作业机器人,它由变形轮系统、路径规划系统及遥操作系统等组成,根据此机器人的性能指标及工作环境提出了机器人控制系统的设计方案及主要子系统的设计分析。

关键词：机器人多功能变形轮

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一种大负载的变形轮设计与运动分析

现代制造技术与装备 2022年第3期58卷 14-16页

作者：邓志燕余冰陈少南中广核研究院有限公司深圳518100

针对日益复杂多变的非结构化工作环境,提出一种大负载的变形轮体设计方案。该变形轮体采用模块化设计,由驱动模块、变速箱和轮体等组成。在同一驱动模块和大负载的作用下,变形轮能以轮式或履带式两种运动模式在复杂路面上运动,具有良好... 详细信息

针对日益复杂多变的非结构化工作环境,提出一种大负载的变形轮体设计方案。该变形轮体采用模块化设计,由驱动模块、变速箱和轮体等组成。在同一驱动模块和大负载的作用下,变形轮能以轮式或履带式两种运动模式在复杂路面上运动,具有良好的地面适应性和通过性。重点对变形轮结构和行走性能进行理论分析,并对变形轮进行加工制作和试验验证。试验结果表明,变形轮可实现大负载工况下轮式和履带式的自由切换和运动。

关键词：大负载变形轮轮履复合

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变形轮移动机器人的设计与研究

变形轮移动机器人的设计与研究

作者：王丹北京交通大学

学位级别：硕士

目前小型地面移动机器人的质量、体积、快速平稳性、越障能力和运行环境等多个因素间存在难以均衡的矛盾。本论文以小型地面移动机器人为基础,以设计具有高越障性能的地面移动机器人为目标,以环境适应能力与越障能力为设计指标,开发具... 详细信息

目前小型地面移动机器人的质量、体积、快速平稳性、越障能力和运行环境等多个因素间存在难以均衡的矛盾。本论文以小型地面移动机器人为基础,以设计具有高越障性能的地面移动机器人为目标,以环境适应能力与越障能力为设计指标,开发具有高越障性能、质量轻、体积小、成本低的小型地面移动机器人。在前期资料调研的基础上,本论文共提出了三种小型地面移动机器人的设计方案。首先,基于异形轮设计思想,提出了半轮结构设计方案,半轮地面移动机器人具有较好的越障能力,同时具有较好的快速平稳性;接着,基于变形轮设计思想,提出了伞形轮结构设计方案,伞形轮地面移动机器人具有较好的越障能力,同时质量轻、体积小、便于携带;最后,融合异形轮与变形轮设计思想,提出了变形轮结构设计方案,变形轮地面移动机器人具有较强的越障能力,同时兼具变形轮与异形轮的优点。对上述三种设计方案进行了运动学分析、动力学分析、越障过程分析以及通过Adams软件对虚拟样机进行了常见路况的仿真分析,通过仿真研究了机器人可以通过沟壑的最大宽度、障碍物的最大高度以及斜坡的最大角度。完成了上述三种设计方案的样机设计工作,完成了半轮结构设计方案和自适应变形轮结构设计方案的样机加工制作与实验工作。本论文提出的三种设计方案都明显的提高了地面移动机器人的越障能力,每种方案设计的机器人均有其适用的环境,变形轮结构设计方案更符合本论文的设计目标。本论文为提高轮式地面移动机器人综合性能的研究提供了新的研究思路和技术途径。

关键词：移动机器人小型异形轮变形轮运动学动力学越障性能

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变形轮移动机器人性能分析与仿真

机械传动 2020年第5期44卷 134-138,175页

作者：赵玲亚王英健刘宏伟廊坊职业技术学院机电工程系河北廊坊065000 廊坊师范学院物电学院河北廊坊065000 北华航天工业学院机电工程学院河北廊坊065000

设计了一种变形轮移动机器人,通过控制舵机来实现轮式结构和三轮辐弧形腿式结构之间的相互转换。应用变形轮工作原理,对其进行了运动学建模和越障能力的分析,运用Adams软件对变形轮移动机器人进行越障能力的动态仿真,验证了运动学分析... 详细信息

设计了一种变形轮移动机器人,通过控制舵机来实现轮式结构和三轮辐弧形腿式结构之间的相互转换。应用变形轮工作原理,对其进行了运动学建模和越障能力的分析,运用Adams软件对变形轮移动机器人进行越障能力的动态仿真,验证了运动学分析的正确性,并得到了位移、速度、加速度的运动规律曲线;运用Abaqus软件对其进行有限元仿真,得到了应力应变图及振型图。分析表明,该移动机器人强度、刚度及振动满足设计要求。研究为变形轮移动机器人的理论研究提供了重要参考。

关键词：变形轮运动学分析越障能力仿真分析

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变形角对变形轮越障能力的影响分析

机械设计与研究 2020年第5期36卷 50-53页

作者：郭鹏程吕张来陕西理工大学陕西汉中723003

基于平面机构理论,设计一种适应松软路面的变形轮,变形后轮缘所受正压力向旋转方向偏离车轮轴心。对变形前、后建立力学建模,分别推导出摩擦力、正压力、扭矩与变形角的函数关系,通过变形前、后摩擦力、正压力比值与变形角函数关系,证... 详细信息

基于平面机构理论,设计一种适应松软路面的变形轮,变形后轮缘所受正压力向旋转方向偏离车轮轴心。对变形前、后建立力学建模,分别推导出摩擦力、正压力、扭矩与变形角的函数关系,通过变形前、后摩擦力、正压力比值与变形角函数关系,证明了变形角越大,摩擦力越小、正压力越大、越障高度越大。实验结果综合表明,变形角越大、变形轮牵引力越大,进一步论证了变形角对变形轮越障能力的影响。

关键词：变形轮变形角正压力摩擦力越障能力

具备复杂地形自适应越障能力的变形轮移动机器人研究

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具备复杂地形自适应越障能力的变形轮移动机器人研究

作者：李兴宇重庆大学

学位级别：硕士

小型移动机器人因其较强的环境适应性而广泛应用于军事侦察、消防救援和科学探索等场景中。但上述任务环境多为复杂的非结构化地形,对机器人的机身尺寸、越障性能和地形适应能力都提出了较高的要求。因此,开展具备自适应越障能力的小型... 详细信息

小型移动机器人因其较强的环境适应性而广泛应用于军事侦察、消防救援和科学探索等场景中。但上述任务环境多为复杂的非结构化地形,对机器人的机身尺寸、越障性能和地形适应能力都提出了较高的要求。因此,开展具备自适应越障能力的小型移动机器人研究具有重要的应用价值。针对当前移动机器人在复杂地形中执行侦察搜索任务时存在的机身小型化困难、越障稳定性不足和自主越障能力缺乏等问题,本文设计了一款采用变形轮机构的小型移动机器人平台。通过以实现运动模式可控切换为目标的机器人运动机构设计、基于机器人轮腿机构特点的运动学研究和越障稳定性分析,以及利用有限状态机实现的机器人自适应运动控制和实验研究,完成了结构紧凑、具备多运动模式且能够自主稳定越障的小型移动机器人平台设计。论文的具体研究工作如下:(1)机器人机构设计与整机布局研究。采用平面多杆机构完成了具备轮\腿运动模式、变径比达1.68的变形轮设计,并分析了其变形参数间的关系;设计了基于双电磁离合器组合的主动变形锁定装置;采用丝杠机构设计了调整范围占机身总长44.94%的可伸缩机器人尾部,并选择了合适的整机布局方案。研究表明,该变形轮机构无需额外驱动即可实现运动模式切换,结合可伸缩尾部能使整机以较为紧凑的结构达到较高的越障能力,为机器人小型化和稳定越障奠定了结构基础。(2)机器人运动特性及越障稳定性研究。开展了机器人在轮腿模式下的运动学分析,得到了轮腿异步运动对机身位姿的影响;建立了轮式状态下的整机运动学模型并进行了验证;分析归纳了机器人不同越障状态,并开展了典型越障过程中的运动稳定性研究,获得了可变结构参数与整机越障性能间的关系。研究表明,该型变形轮机器人可通过适当调整自身结构参数,实现机身姿态角度的调节并显著提高机器人越障的成功率和稳定性,为其自主越障控制提供了理论参考。(3)机器人自主运动控制方法设计。设计了由感知层、决策层和行为层组成的分层递阶式控制系统;搭建了基于超声波传感器和陀螺仪的机器人感知系统;设计了基于有限状态机的机器人自主行为切换方法,并对主\被动越障策略及动作流程进行了规划;针对机器人主要动作设计了结合PID控制的底层控制器。研究表明,该控制系统可以根据不同障碍地形自主选择越障模式,并实现对运动动作准确有效的控制,使机器人获得了在复杂地形下自适应越障的能力。(4)机器人样机搭建与实验研究。在完成机器人系统设计的基础上,开展了机器人硬件选型和样机搭建工作;对机器人样机分别完成了典型障碍地形下的越障能力验证,以及多种非结构化地形下的越障性能测试。研究表明,该型机器人平台具备优越的越障性能,通过自适应调整运动状态,能够大幅提高自身的越障成功率和运动稳定性。在林地、沙地和室内等非结构化环境下,采用自适应越障模式的机器人横滚角波动幅度相较单一的轮腿运动模式分别减少了60.53%、47.04%和78.02%,有效验证了该型机器人平台在复杂地形中的自适应越障能力。

关键词：移动机器人变形轮自主越障轮腿运动运动分析

轮腿式移动机器人主/被动变形机构设计及研究

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轮腿式移动机器人主/被动变形机构设计及研究

作者：官渐重庆大学

学位级别：硕士

随着社会的发展和科学技术的不断进步,各类机器人逐渐进入到了人们的生活、生产及工作中。以城市救灾、反恐排爆、军事侦察等为应用领域的小型移动机器人需求越来越迫切,而目前小型移动机器人在小型化、运动效率、复杂非结构化环境适应... 详细信息

随着社会的发展和科学技术的不断进步,各类机器人逐渐进入到了人们的生活、生产及工作中。以城市救灾、反恐排爆、军事侦察等为应用领域的小型移动机器人需求越来越迫切,而目前小型移动机器人在小型化、运动效率、复杂非结构化环境适应能力等方面存在着难以均衡的矛盾。本文以移动机器人的新型移动机构为切入点,针对当前小型移动机器人在非结构化复杂地形中机动性、通过性及小型化等方面的不足,提出一种采用新型变形轮的适应复杂地形的轮腿式移动机器人方案,通过采用机构学、优化方法、控制学及计算机仿真等理论工具,对这种新型移动机器人的移动机构、移动平台性能、运动学、动力学及稳定运动控制方法的关键问题进行了深入研究。主要研究内容有:1)通过对现有变形轮方案的分析与研究,提出一种基于折展和变胞机构原理的新型主\被动结合的变形轮机构设计与优化方法。设计了采用铰链式多四连杆组合机构的单驱动新型变形轮机构,并分析其变形原理。以最小化驱动力矩和最大化变径比为目标,通过力学和几何约束方法优化得到最优的变形轮设计参数。2)根据机器人的适配环境和变形轮结构特点,设计了双轮差速驱动的对称式整机装配及布局方案。通过采用基于微型电磁离合器的运动模式主动切换机构,在不增加额外驱动的情况下,保证了机器人模式切换的稳定性和可靠性。采用运动学方法得到了机器人典型运动下的运动规律和基本特性;根据非完整约束系统特性,推导得到了机器人整机轮式运动状态下的运动学和动力学模型,为整机稳定控制提供了理论基础。3)以变形轮机器人稳定可控为目标,从力学角度运用稳定锥方法推导得到了机器人倾翻角计算公式及临界倾翻条件,结合动力学方法得到了机器人的斜面及越障稳定运动特性;从控制学角度,设计了机器人多模式差速控制策略,并推导得到机器人运动位姿误差表示方法,设计了基于Lyapunov直接法的机器人位姿稳定控制器。4)建立了变形轮机器人系统总体架构和控制方案,设计搭建了变形轮机器人实验样机,利用Matlab仿真证明了控制器的可行性和有效性。完成了机器人运动性能及稳定性测试、运动模式切换实验和越障性能实验。实验证明了机器人极佳的越障性能和高效、稳定的运动能力,融合了轮、腿运动的优势,为相关机器人的设计提供了一种有效的解决途径,同时为其他移动机器人的设计提供有益参考。

关键词：变形轮移动机器人轮腿运动稳定控制

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高通过性变形轮行走机构的模态分析

车辆与动力技术 2012年第1期 30-32页

作者：王东亮郭晓燕中国北方车辆研究所北京100072

针对无人地面车辆对行走机构的要求,探讨了一种新型的变形轮行走机构,该行走机构兼有轮式行走机构的高速性和履带式行走机构的高通过性的特点.在阐述机构工作原理与特点基础之上,重点分析了变形轮圈的模态振型和模态频率,并对行走机构... 详细信息

针对无人地面车辆对行走机构的要求,探讨了一种新型的变形轮行走机构,该行走机构兼有轮式行走机构的高速性和履带式行走机构的高通过性的特点.在阐述机构工作原理与特点基础之上,重点分析了变形轮圈的模态振型和模态频率,并对行走机构进行了阻尼匹配分析.结果表明:变形轮圈的振动不会引起车身共振,路面激励可以引起变形轮圈的共振,通过增加阻尼元件,可以减弱因路面激励引起的振动.

关键词：行走机构变形轮变形轮模态分析

面向非结构路面无人平台的可变形行走机构研究

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面向非结构路面无人平台的可变形行走机构研究

作者：石钰吉林大学

学位级别：硕士

近年来,机器人技术迅速发展,地面无人平台在抢险救灾、侦察排爆、后勤补给等民用和军事领域上都有广泛的应用,极大减少了在危险和极端环境中作业的人员伤亡率。地面无人平台常在复杂恶劣的非结构路面上行驶,非结构路面地形复杂障碍较多... 详细信息

近年来,机器人技术迅速发展,地面无人平台在抢险救灾、侦察排爆、后勤补给等民用和军事领域上都有广泛的应用,极大减少了在危险和极端环境中作业的人员伤亡率。地面无人平台常在复杂恶劣的非结构路面上行驶,非结构路面地形复杂障碍较多,极大地限制了常规无人平台的通过能力。基于非结构路面的作业环境对无人平台越障通过性的要求,研发一款既能保持运动的高效灵活性,又具备较高越障能力的行走机构具有重要意义。本文基于轮式行走机构,结合足式行走机构的特征,设计了一款面向非结构路面无人平台的轮-足复合式可变形行走机构。本文的主要研究工作如下:首先,对轮式无人平台的通过性机理进行研究。探究了车轮布置形式对整车行驶阻力的影响,分析了车轴数量和轴距改变对越障能力以及轴荷分布的影响。而后调研了不同构型的行走机构,分析了异形轮和变形轮对无人平台通过性的影响,阐述了特殊形状车轮和行星车轮组能提高无人平台通过性的原因,构建了轮式无人平台可跨越障碍的极限高度与车轮几何参数间的数学模型。接着,对可变形行走机构进行方案选择和结构设计。根据前述理论提出了一种由四轮独立驱动系统、传动系统和行走系统组成的可变形行走机构方案,并根据极限工况的需求进行了驱动电机参数的匹配。而后结合行星排机构的原理特征,提出了行星齿轮换挡传动方案和行星轮变形方案,并进行了行星轮变形机构的结构设计和三维建模。然后对行走机构进行了有限元分析,结合应力分布情况和拓扑优化结果,对结构进行优化设计,最终提出了一种承载能力更好、更加轻量化的可行性结构设计方案。然后,研究了非结构路面对无人平台通过性的影响。分析了轮式和足式行走机构跨越独立台阶的受力情况,构建了前后轮跨越台阶的数学模型,得到了可跨越障碍极限高度与轮径之比的表达式,以及跨越沟壑与台阶障碍能力的关系,给出了行星轮变形机构提高无人平台越障能力的理论可行性。分析了松软路面的物理特性和力学特性,表明了车轮几何参数的改变能够改善无人平台的受力情况和通过性能。分析了路面附着系数的影响因素,得到了附着系数与滑动率的关系曲线,获得了车速与路面摩擦系数间的数学模型。最后,制定了可变形行走机构的控制策略并进行了越障仿真。探究了非结构路面特征参数的辨识方法,通过激光雷达和视觉传感器分别获取垂直障碍的几何参数和车轮沉陷量,通过车辆动力学参数对路面附着情况进行参数辨识和仿真验证。制定了行走机构的控制策略,分类阐述了不同情况下行走机构传动挡位和行走模式的选择。最后对行走机构的越障能力进行了仿真,通过分析行走机构在不同障碍路面上的运动过程,验证了本文可变形行走机构设计的合理性和有效性。本文提出并深入研究了一种轮-足复合式可变形行走机构,通过理论分析和仿真验证,表明了足式行走机构具有更为优越的越障能力和对不同障碍路面的适应能力,验证了本文研究的合理性和有效性,为非结构路面环境下提高无人平台通过能力的研究与发展提供了参考意义。

关键词：非结构路面无人平台行走机构变形轮通过性机理