轮臂混合式可重构机器人设计与原理样机研制

【摘要】在星球探测、军事侦察和救灾搜寻等极限作业环境中，单体机器人作业系统存在着极大风险，将机器人模块化、重构和多机器人协作等概念应用于极限作业领域，变革单体机器人的机构设计、运动和控制方式，可使其适应复杂的未知工作环境。可重构机器人是由功能相对简单、相互间可以有机连接的同构或非同构机器人模块组成，且可以根据外界环境将多个机器人模块组合成对某一任务或环境最有利的构形，并通过其自变形获得自主适应能力。可重构机器人系统不仅能够简化设计结构，降低制造成本，增加机器人功能和结构多样性，同时也可以提高其功能上的鲁棒性和可替换性。以未知环境下轮臂混合式可重构机器人为研究对象，根据轮臂混合式可重构机器人模块特征和系统预期功能，对其单体机器人进行总体方案设计。以构形综合和构态变换为基础，结合机构叠加原理和图论理论，提出一种新型变拓扑重复折展式车轮；基于机械臂功能需求，确定机械臂的自由度，完成机械臂关节配置的构形综合和优选，确定机械臂的最优构形方案。根据轮臂混合式可重构机器人的设计要求，完成轮臂混合式可重构机器人的本体结构设计，确定变拓扑重复折展式车轮的关键尺寸参数；基于机械臂的功能需求，完成机械臂主体、末端执行器和辅助轮的机械结构设计，确定机械臂各尺寸参数，最终完成轮臂混合式可重构机器人三维模型构建和二维工程图绘制，并完成原理样机的制作。基于轮臂混合式可重构机器人单体结构特征，运用D-H坐标法建立可重构机器人的正、逆运动学模型。采用构形状态矩阵描述机器人系统的拓扑结构信息，利用分层描述方法表达可重构机器人的群体构形。据此获得各单体机器人间的连接关系和末端执行器的位姿，并通过逆运动学求解获取各关节转角值，确定轮臂混合式可重构机器人系统构形与各模块关节转角的映射关系。基于ADAMS对车轮折展功能、群体构形变换、作业模式和运动模式进行相应的运动仿真验证。根据轮臂混合式可重构机器人原理样机控制系统的功能要求，完成可重构机器人控制系统的方案设计及软硬件设计，完成轮臂混合式可重构机器人的驱动轮折展运动、单体运动控制和机械臂运动控制等功能试验。
【作者】孙宝龙；
【导师】胡明；
【作者基本信息】浙江理工大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】可重构机器人；轮臂混合式机器人；构形综合；构形表达；控制系统设计；

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