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轻工机械 2023年第6期41卷 9-16页

作者：郭进群柴馨雪浙江理工大学机械工程学院浙江杭州310018

针对四面体机构的多环耦合复杂结构导致的现有自由度计算方法对其进行自由度分析时不能有效地判断耦合部分的约束情况,课题组提出了一种基于几何代数的四面体机构自由度分析方法。先将整个机构进行拓扑等效,寻找机构的最短分支;通过修... 详细信息

针对四面体机构的多环耦合复杂结构导致的现有自由度计算方法对其进行自由度分析时不能有效地判断耦合部分的约束情况,课题组提出了一种基于几何代数的四面体机构自由度分析方法。先将整个机构进行拓扑等效,寻找机构的最短分支;通过修正分支运动空间的方式,将与分支耦合的闭环带来的约束体现在分支的运动空间中;最后通过对所有修正后的分支运动空间求交,得到输出构件的自由度解析式。结合具体算例可知:课题组提出的方法无需借助逻辑判断,可直接得到机构输出构件的自由度性质,解析式中的变量能给之后的驱动分布提供了选择方案。基于几何代数的四面体机构自由度分析方法具有一定的工程意义。

关键词：四面体机构自由度计算多环耦合几何代数

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6-URU支链四面体移动机构的越障步态规划

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机械工程学报 2021年第23期57卷 85-96页

作者：赵子铭李晔卓姚燕安李锐明张倩倩北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京理工大学智能机器人与系统高精尖创新中心北京100081

针对多面体机器人的高地面适应性需求,提出一种适用于四面体移动机构的高质心攀爬越障方法,能够通过三自由度同步变形提升质心高度有效提升攀爬能力。首先,基于四面体移动机构的支撑区域对其移动轨迹进行三角形网格划分,在台阶障碍进行... 详细信息

针对多面体机器人的高地面适应性需求,提出一种适用于四面体移动机构的高质心攀爬越障方法,能够通过三自由度同步变形提升质心高度有效提升攀爬能力。首先,基于四面体移动机构的支撑区域对其移动轨迹进行三角形网格划分,在台阶障碍进行投影畸变,由此规划出该机构针对台阶障碍的分步越障阶段,通过构造凹多面体包附障碍提升攀爬高度。针对高质心攀爬步态的各个阶段分别建立临界状态运动学模型,通过齐次变换矩阵得到机构质心坐标关于障碍高度和障碍距离的表达式,根据数值算法得到最大越障高度随驱动角和障碍距离的变化曲线,执行至不同障碍阶段以实现不同高度障碍的越障攀爬。建立仿真模型,验证越障分析过程合理性。制作一台样机,对高质心攀爬越障步态进行可行性验证。

关键词：四面体机构移动机构运动规划越障能力步态规划

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四面体多环闭链连杆移动机构的越障步态规划与研究

四面体多环闭链连杆移动机构的越障步态规划与研究

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作者：赵子铭北京交通大学

学位级别：硕士

移动机器人作为帮助人类拓展认知范围的一类重要辅助工具,在人们的生产生活中占有越来越重要的地位。多面体机器人是一种由空间多环闭链连杆机构构成的多面体形态机构。针对地面移动机器人运动的高地形适应性需求,本论文对四面体移动机... 详细信息

移动机器人作为帮助人类拓展认知范围的一类重要辅助工具,在人们的生产生活中占有越来越重要的地位。多面体机器人是一种由空间多环闭链连杆机构构成的多面体形态机构。针对地面移动机器人运动的高地形适应性需求,本论文对四面体移动机构面对台阶障碍的越障过程进行了分析,提出两种越障步态,并对其展开理论分析与样机实验。首先,对四面体移动机构支链进行构型设计,根据构型设计对其进行自由度分析,并提出基于对称驱动的滚动步态规划。针对其平地运动提出一种碰撞滚动步态,并对机构滚动步态的完整过程进行运动学分析。基于四面体移动机构的多边形支撑区域对其移动轨迹进行三角形网格划分,并在台阶障碍进行投影畸变,由此规划出该机构针对台阶障碍的分步式越障过程,通过构造凹多面体包附目标障碍提升攀爬高度。根据机构运动步态的对称特点,利用等效平面机构法建立各步运动模型并分析其越障参数。针对四面体移动机构的越障过程提出两种越障步态。其中,高质心攀爬步态能够通过三自由度同步变形提高质心高度,提升机构的攀爬能力;包附式攀爬步态通过构造凹多面体对台阶障碍形成包附,从而提升其攀附能力。针对越障步态的各个阶段分别建立临界状态运动学模型,通过齐次变换矩阵得到机构质心坐标关于障碍高度和障碍距离的表达式,根据数值算法得到最大越障高度随驱动角和障碍距离的变化曲线,执行运动至不同障碍阶段以应对不同高度障碍的台阶。通过Adams软件对虚拟样机进行动力学仿真,验证越障分析过程合理性。最后,根据分析结果设计并制作一台原理样机,对样机进行模块划分和设计,其中对U副模块进行柔性铰链设计,以满足机构欠驱动需求。对机构的各个移动步态进行可行性验证,得到符合理论分析的实验结果。本论文对四面体移动机构面对台阶障碍的越障过程进行了运动规划与步态设计,并对其越障步态的各个阶段进行了理论模型建立与分析、仿真模型搭建与分析与原理样机设计与实验,验证了四面体移动机构分步式越障步态的可行性与分析方法的合理性,为四面体移动机构的越障能力提供了新的研究思想和分析方向,为空间多环闭链连杆移动机构的运动能力扩展提供了新的研究思路和应用前景。

关键词：四面体机构移动机构越障分析运动规划

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具四面体可变形车身的轮式机器人设计与研究

具四面体可变形车身的轮式机器人设计与研究

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作者：刘新潮北京交通大学

学位级别：硕士

地面移动机器人作为一类研究时间较早、应用非常广泛的机器人,采用遥控、自主或半自主等控制方式,在工作强度大、人类无法到达或可能对人类造成伤害的场合中可以发挥重要作用。后疫情时代,更多的无人场景对移动机器人的需求量也呈快速... 详细信息

地面移动机器人作为一类研究时间较早、应用非常广泛的机器人,采用遥控、自主或半自主等控制方式,在工作强度大、人类无法到达或可能对人类造成伤害的场合中可以发挥重要作用。后疫情时代,更多的无人场景对移动机器人的需求量也呈快速增长态势。各种工作环境和应用需求给移动机器人的移动和越障性能提出了更高的要求,本文基于可变形车身概念以及整体变形式移动机构,设计了一款具四面体可变形车身的轮式机器人,并对其进行了理论分析与样机研制。首先对机器人构型进行设计,并通过机构自由度分析对机器人驱动配置方式进行了介绍,然后根据机器人构型特点对其工作模式进行了设计。针对机器人轮式移动模式,规划设计了两种轮式移动步态,并分别对两种步态进行基于运动学的力学分析,得到驱动机器人进行轮式移动的最小牵引力随舵机角度变化曲线,验证了车身变形会对机器人移动效率产生影响。为应对机器人轮式移动受阻情况,可转变成翻滚调姿模式,通过车身变形实现对机器人姿态的调整。共规划了两种翻滚调姿步态,分别对两种步态进行了运动学模型的建立,获得了机器人质心坐标关于舵机驱动角度的关系,为后期的仿真验证和样机控制提供了关键参数。针对斜坡障碍、高台障碍以及连续台阶障碍等不同障碍地形,分别从入障阶段、过障阶段和出障阶段进行了越障步态的规划以及理论分析。在给定样机尺寸质量等参数的情况下得到机器人所能通过的最大斜坡角度、最大高台高度以及最小台阶宽度尺寸。通过Adams动力学仿真软件对机器人各个步态进行了仿真实验验证,并对仿真实验结果进行分析,根据其所输出的电机扭矩曲线进行电机选型。然后对样机进行研制,包括机械结构设计、电路设计以及控制系统的搭建,最后进行样机加工与装配并完成样机实验,验证了步态规划的合理性和理论分析的正确性。

关键词：可变形车身四面体机构力学分析翻滚调姿

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