基于多组连杆机构的爬楼越障机器人的设计与分析

摘要

当前机器人技术备受关注，机器人的移动性能要求也越来越高，能够自主越障的移动机器人成为研究的热点。然而，目前的移动越障机器人难以跨越台阶尺寸不同的楼梯障碍。因此，本文提出一种基于多组连杆机构的能够跨越多种尺寸楼梯障碍的轮式越障机器人。
　　本文在查阅文献的基础上，深入分析对比现有的中小型移动越障机器人移动系统的结构组成以及越障特点，提出利用机构基本运动单元重组构型的方法，构造移动悬架机构，综合考虑楼梯地形的特点和轮式移动机构的优势，设计了一种被动式可攀爬楼梯的轮式越障机器人。
　　本文以可攀爬楼梯的越障机器人为研究对象，利用机构分析解析法建立四杆运动单元的末端轨迹方程，运用单变量设计研究的方法研究其轨迹。建立机器人虚拟样机模型，将机器人爬楼过程在SolidWorks软件Motion插件中进行运动学仿真，分析机器人楼梯通过性的几何约束条件，并以平顺性和低能耗为优化目标，利用ADAMS软件对机器人进行多目标结构优化，确定四杆运动单元越障的最优杆长组合和安装尺寸。
　　建立越障机器人平坦地面差速转向运动学和三维空间姿态运动学模型，为机器人运动轨迹跟踪控制、空间定位和合理路径规划提供依据；对越障机器人的爬楼过程进行动力学建模分析，结合动力学仿真，分析机器人楼梯越障的影响因素。分析越障机器人的运动性能，如凸起轮廓通过性、斜坡静态稳定性、沟壕跨越能力，综合评价机器人的越障能力。
　　装配被动式可攀爬楼梯的轮式越障机器人的样机模型，通过复杂地形的试验，验证了本文提出的越障机器人具备良好的移动越障性能。本文研究的爬楼越障机器人为提高移动机器人的攀爬与越障能力提供了一种新的研究思路与方法，具有较好的理论意义与实际应用价值。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 本章小结

2 爬楼机器人移动系统的构型综合

2.1 机构的构型综合

2.2 车轮机构的构型与布置方式

2.3 移动悬架机构基本运动单元分析

2.4 基本运动单元构型重组

2.5 爬楼机器人移动悬架的选择

2.6 爬楼机器人的结构设计方案

2.7 本章小结

3 四杆运动单元的机构分析

3.1 平面四连杆机构的分类

3.2 四杆运动单元末端轨迹方程

3.3 四杆运动单元末端轨迹单变量研究设计分析

3.4 四杆运动单元辅助运动杆件作用分析

3.5 本章小结

4 爬楼越障机器人的运动学模型

4.1 爬楼机器人平坦地面运动学模型

4.2 爬楼机器人的位姿运动学模型

4.3 本章小结

5 爬楼越障机器人上下楼梯运动仿真和通过性条件分析

5.1 虚拟原型机技术

5.2 爬楼机器人上下楼梯运动过程分析

5.3 爬楼机器人台阶通过性几何条件分析

5.4 爬楼机器人悬架结构的参数化设计与多目标优化

5.5 本章小结

6 爬楼越障机器人的力学模型及动力学仿真

6.1 爬楼机器人台阶越障力学模型的特点

6.2 爬楼机器人攀爬楼梯的准静态方程

6.3 爬楼机器人楼梯攀爬的动力学仿真

6.4 本章小结

7 爬楼越障机器人移动性能分析和实验验证

7.1 爬楼机器人整体结构参数

7.2 爬楼机器人越障性能分析

7.3 爬楼机器人的物理样机和实验验证

7.4 本章小结

8总结与展望

8.1总结

8.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况

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