可重构蛇形机器人驱动机构设计及运动性能研究

摘要

1919年前后，中国开始了属于自己的现代化考古事业，在一代代考古学者不断的努力，众多历史之谜被解开，使我国的古老文明有了新的内涵，也使我们可以从更多的层面上来诠释我国古老的文化。考古所发现的成果刷新了人们对中华古代文明的认识，展示了中华民族为了人类做出了巨大的贡献，也为研究人类历史进步历程提供了更为详实的证据。但是随着环境的恶化盗墓的猖獗，保护拯救这些文物就变的非常迫切。我国现代化考古虽有近百年的历史但是与国外相比，尤其在考古的方式上以及对现代科技的运用上依然较为落后。因此使用现代科技对文物发掘保护有着重要的实际意义。
　　本课题为:国家文物保护装备产业化示范项目之中的多功能文物保护移动试验平台“机器人预探测系统研制”项目。
　　本文主要完成以下研究:
　　首先，本文给出了机器人单元模块的设计。本机器人采用的是蛇式串联机构共四个模块，模块之间通过关节链接，关节为耦合式齿轮结构可以实现模块的俯仰和偏航运动。机器人模块之间采用快速接头连接，这样可以方便拆卸，同样也可使机器人变为可重构的模块化机器人。机器人携带图像采集、温湿度采集、气体采集等设备。
　　其次，本文建立履带蛇形机器人运动学模型，并着重分析了履带蛇形机器人的运动性能。对机器人越障运动如跨越沟壑、爬斜坡、攀爬台阶进行了运动规划。并重点对机器人跨越沟壑进行了分析，并给出机器人重构后跨越沟壑时不具有奇偶同效性以及机器人攀爬台阶高度分析。
　　第三，基于动力学仿真软件Adams对履带蛇形机器人进行运动学仿真。针对坚实地面，斜坡，沟壑，台阶这几个较为典型的环境进行运动学仿真。验证了机器人机构设计和基本功能设计的合理性。并对仿真中出现的几种典型的现象进行了分析，并验证了机器人运动动作规划的合理性。
　　最后，对机器人进行相应的实验验证。本文针对机器人可重构、模块化等特点，制定了蛇形机器人的各项性能指标，并提出了相应的实验测试方法，最后通过实验验证了机器人的各项考核指标符合课题期望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外探索机器人发展现状

1．2．2 考古探测机器人使用情况总结与分析

1．3 课题来源以及本文研究内容

第2章 机器人驱动机构设计

2．1 墓穴内部环境分析

2．2 机器人单元模块设计

2．3 驱动方式的选择

2．4 关节驱动的选择

2．5 单元模块履带的选择

2．6 单元模块齿轮及电机的选择

2．7 机器人总体设计

2．8 功能模块的设计

2．9 控制系统的介绍

2．10 履带机器人行进力学分析

2．11 履带机器人爬斜坡力学分析

2．12 本章小结

第3章 机器人运动学分析和越障规划分析

3．1 基于D-H坐标变换法的运动学分析

3．2 机器人越障动作规划

3．2．1 机器人爬斜坡动作规划

3．2．2 机器人跨越沟壑分析与动作规划

3．2．3 机器人跨越台阶动作规划

3．2．4 机器人攀爬台阶的最大高度

3．3 机器人的横向运动

3．4 本章小结

第4章 机器人的运动仿真验证

4．1 Adams软件的介绍

4．2 几种典型环境的运动仿真分析

4．2．1 水平地面仿真分析

4．2．2 跨越沟渠仿真分析

4．2．3 斜坡运动仿真分析

4．2．4 攀爬台阶仿真分析

4．3 本章小结

第5章 机器人的实验验证

5．1 蛇形机器人的性能测试指标

5．2 实验验证

5．2．1 基本运动性能测试实验

5．2．2 越障性能测试实验

5．2．3 综合性能测试实验

5．3 实验结果分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢