轮腿混合式救援机器人的机构设计和性能研究

摘要

近些年来，自然灾害以及人为灾害时有发生，它们威胁人类的安全并引起了人们高度关注。救援机器人的出现不仅降低了灾难带来的损失，更为人类未来的生活提供了安全保障。综合国内外对救援机器人的研究，本文提出了一种新型轮腿混合式救援机器人，该机器人腿部采用3自由度(2-UPS+U)&R串并混联机构，具有承载能力大、工作空间灵活、地形适应性强等优点。
　　首先，对本文提出的救援机器人的整体结构做出详细的介绍，并对单腿机构的位置、各个杆件的速度、加速度、惯性力以及单腿机构的静力学进行了分析和求解，找到了各个关节约束力/力矩、驱动力和机构末端受到外力的关系表达式。
　　其次，根据螺旋理论的知识，求解出单腿机构所受的约束力/力矩，并计算出其少自由度满秩形式的雅克比矩阵、刚度矩阵和柔度矩阵，通过SolidWorks软件中的Simulation插件对大腿机构主要零件进行了有限元仿真，得到了三种不同站姿下的应力和变形云图，验证了机构的合理性。
　　再次，通过使用空间矢量链方法，建立了机构末端的误差映射模型和误差矩阵，通过误差分离的方法，求解出机构中不可补偿的误差参数，基于蒙特卡洛法完成了对(2-UPS+U)&R机构的灵敏度分析，找出了对机构末端误差影响最大的几何误差源，为提高机构末端精度提供了理论基础。
　　最后，通过计算，选择满足机器人工作要求的电机和电动推杆，根据所选电机参数，设计了相应的控制器电路，并完成了相应的实验。
　　本论文对轮腿混合式救援机器人进行的性能研究，具有重要的理论价值和实际意义，为之后的研究工作提供了充足的理论基础。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景研究

1.2 国外救援机器人的发展

1.3 国内救援机器人的发展

1.4 救援机器人的分类比较

1.5 课题来源及意义

1.6 论文研究内容

第2章 结构介绍以及静力学分析

2.1 引言

2.2 机构介绍

2.3 腿部机构的位置分析和速度分析

2.4 腿机构受力分析

2.5 算例

2.6 本章小结

第3章 刚度分析以及主要零件受力仿真

3.1 引言

3.2 基于螺旋理论求解约束力/力矩

3.3 刚度矩阵的求解

3.4 有限元分析

3.5 本章小结

第4章 几何误差与灵敏度分析

4.1 引言

4.2 误差坐标系的建立

4.3误差映射模型

4.4灵敏度分析

4.5 本章小结

第5章 主要元器件的选择和设计

5.1 引言

5.2 电机选型

5.3 电动推杆的选型

5.4电机控制器设计

5.5硬件电路实验

5.6 单腿实验

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢