基于3-CUR并联机构的轮腿式机器人运动性能研究

摘要

为了满足危险环境下的工作要求，极大可能地降低危险环境所带来的危害，本文提出了一种3-CUR并联机构的轮腿式机器人，用来进行危险环境下的探索。本文将3-CUR并联机构作为轮腿式机器人的腿部结构，这样的设计大大提升了轮腿式移动机器人的承载能力，可以适用于一些相对复杂、危险的环境中，代替人工进行探测和救援等任务。 本文首先设计出了3-CUR并联轮腿式移动机器人的整机结构，其中包含了对腿部结构、轮子传动以及轮腿切换装置的设计，采用了四个完全相同且相互独立的轮腿系统。每条腿在行走时用三个伺服电机来进行控制，能够使腿部进行抬起-摆动-落下等动作来向前行走。并阐述了3-CUR并联轮腿式移动机器人在各个运动模式下的工作原理。 其次，本文以3-CUR并联轮腿式移动机器人的腿部机构作为研究对象，应用螺旋理论对3-CUR并联机构建立了支部螺旋系，计算出了3-CUR并联机构的自由度，并且使用了D-H法对该机构建立了连杆坐标系分析了其位置反解。并且使用了三维动态法与数值搜索法求得3-CUR并联结构的工作空间，并对其工作空间进行了阐述。 然后从四足步态出发，应用静态稳定性原理和动态稳定性原理对3-CUR并联轮腿式移动机器人的稳定性作出了判断，并且我们从四足移动机器人的运动空间的需求量和前进方向上的最大稳定裕度这两个方面来进行考虑，选取了一种适用于3-CUR并联轮腿式移动机器人的步态方式。 最后采用Solidworks软件对3-CUR并联轮腿式移动机器人在给定步态方式下进行了仿真，得出3-CUR并联轮腿式移动机器人在此步态下的步长与步高，以及在行走过程中质心的变化曲线。然后模拟了3-CUR并联轮腿式机器人在跨越凸台和沟壑的运动过程，得出了3-CUR轮腿式机器人可以翻越凸台的最大高度和沟壑的最大宽度，并分析了在跨越凸台和沟壑时质心的变化情况以及在此运动过程中各个腿部电机的受力情况。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.1.1 课题的研究背景

1.1.2 课题研究的意义与价值

1.2 并联机构的研究现状

1.3 轮腿式机器人的研究现状

1.3.1 轮腿式机器人的发展

1.3.2 轮腿式机器人的步态分析研究现状

1.3.3 轮腿式机器人的稳定性分析的研究现状

1.3.4 轮腿式机器人的越障能力分析研究现状

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

2 3-CUR并联轮腿式移动机器人的整体构型

2.1 引言

2.2 轮腿式移动机器人的整体构型

2.2.1 轮腿式移动机器人的腿部结构

2.2.2 轮腿式移动机器人的轮腿切换结构设计

2.2.3 3-CUR并联机构轮腿式移动机器人的整机三维模型

2.2.4 3-CUR轮腿式移动机器人的运动原理

2.3 本章小结

3 3-CUR并联机构的运动学分析

3.1 引言

3.2 3-CUR并联机构的三维模型

3.3 3-CUR并联机构自由度分析

3.4 3-CUR并联机构的位置分析

3.4.1 建立连杆坐标系的步骤

3.4.2 机构位置反解

3.5 3-CUR并联机构的工作空间分析

3.6 本章小结

4 3-CUR轮腿式机器人步态规划

4.1 引言

4.2 静态稳定性原理

4.3 动态稳定性原理

4.4 步态规划研究

4.5 步态规划

4.5.1 并联移动机器人的运动空间需求量分析

4.5.2 稳定性分析

4.5.3 步态的选择

4.6 本章小结

5 3-CUR轮腿式移动机器人的越障分析

5.1 引言

5.2 3-CUR轮腿式机器人的移动性能

5.2.1 3-CUR轮腿式机器人的移动参数

5.2.2 3-CUR轮腿式机器人的质心变化情况

5.3 3-CUR轮腿式机器人的越障分析

5.3.1 跨越凸台时的运动性能分析

5.3.2 跨越沟壑时的运动性能分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所研究成果

致谢