新型移动机器人的结构设计及性能分析

摘要

智能移动机器人是机器人的一种。它主要由车体结构、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成。这些机器人通常可以适应不同的环境，不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响，完成一些人类无法进行的任务。 到目前为止，地面移动机器人的行驶机构主要分为履带式、步行式和轮式三种。其中履带式机器人可以在凹凸不平的地面上行走，跨越障碍物，爬越一定高度的台阶，具有行驶速度较快(介于轮式和腿式之间)，承载能力较强，但转向不易，结构笨重的特点。步行式机器人对场地有良好的适应能力，特别是多足机器人，能够跨越台阶，但动作是间歇的，速度不快，且控制复杂，实现相对较为困难。车轮式移动机器人具有结构轻、动作稳定、操纵简单、移动速度快和转向容易控制等优点，适用于平地行走，在无人工厂中常用来搬运零部件或做其它工作，但其越野能力比步行式稍逊一筹。 在分析国内外智能移动机器人研究现状的基础上，本文设计了一种新型移动机器人结构——将轮式驱动系统和步行式运动机构相结合，在两个电机的驱动下，通过一些简单的传动机构，使机器人可以实现单方向的步态行走。同时配合车轮运动，使机器人不仅具有一般轮式机器人移动速度快、控制简单的特点，还具有较好的越障能力。 本文对这种新型移动机器人进行了越障功能的分析，并对步行机构做了运动学分析。为了设计各部件的结构，确定各车轮所需的驱动力矩，在简化车轮与地面接触关系的基础上，建立了机器人的准静态模型，进行了准静态分析，从而获得机器人在步态运动时各部件的受力状况。在考虑非平坦路面情况下，采用位姿矩阵变换法，建立了机器人车身位姿与车轮运动参数的关系，并确定了对机器人进行正、逆运动学分析的具体过程。同时，研究了机器人转向系统的稳态和瞬态响应性能，分析了车体几个主要结构参数对机器人转向的瞬态响应的影响，为详细确定车体和行驶系统的结构提供了理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2课题研究的意义

1.3国内外研究概况

1.3.1国外研究概况

1.3.2国内研究概况

1.4本文研究的主要内容

第2章新型移动机器人的结构设计

2.1常规移动机器人的结构分析

2.1.1行驶机构

2.2.2驱动机构

2.2.3车轮

2.2新型智能移动机器人的结构设计

2.3移动机器人结构功能分析

2.3.1平路行走过程

2.3.2上台阶过程

2.3.3爬斜坡过程

2.3.4结果分析

2.4实验

2.5本章小结

第3章机器人步态行走机构的性能分析

3.1引言

3.2步行机构概述

3.3步行机构运动学分析

3.3.1上四连杆机构

3.3.2下四连杆机构

3.3.3落足点的运动学分析

3.4运动学仿真

3.4.1运动示意图

3.4.2计算机仿真及结果

3.5步行机构受力分析

3.6本章小节

第4章移动机器人准静态分析

4.1引言

4.2假设条件

4.3移动机器人的准静态越障分析

4.4本章小节

第5章轮腿式机器人的运动学分析

5.1引言

5.2假设条件

5.3运动模型的建立

5.3.1坐标系与变量的定义

5.3.2瞬时重合坐标系的建立

5.3.3坐标系间的变换

5.4正运动学分析

5.5逆运动学分析

5.6本章小结

第6章移动机器人的转向特性分析

6.1引言

6.2假设条件

6.3动力学模型的建立

6.4稳态响应分析

6.5瞬态响应分析

6.5.1模型理论分析

6.5.2六轮、四轮、两轮及单轮转向的瞬态响应分析比较

6.5.3不同车速下的机器人转向响应特性的比较

6.5.4不同质量的机器人转向响应的特性比较

6.5.5不同车体重心位置的机器人转向响应特性比较

6.6本章小结

第7章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文和申报的专利