【摘要】：拋投式機(jī)器人體積小、重量輕,便于單兵攜帶,可通過(guò)人工拋擲、彈射、空投等方式進(jìn)入復(fù)雜、狹窄、危險(xiǎn)區(qū)域,實(shí)現(xiàn)快速部署。但此類(lèi)機(jī)器人僅在小范圍平地機(jī)動(dòng),越障性能差,尤其在城市環(huán)境中,常見(jiàn)的樓梯和臺(tái)階成為其難以逾越的障礙。本文以XX預(yù)研項(xiàng)目為背景,研究一種可翻轉(zhuǎn)越障的拋投機(jī)器人,克服機(jī)器人體積、重量和攀爬樓梯、臺(tái)階等障礙的性能之間的矛盾。提出了連續(xù)翻轉(zhuǎn)大跨度越障的原理及結(jié)構(gòu)方案,在小型輪式底盤(pán)的基礎(chǔ)上,加裝翻轉(zhuǎn)擺臂組件輔助底盤(pán)翻轉(zhuǎn)。圍繞該方案進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì),并展開(kāi)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)理論及試驗(yàn)研究。以初始樣機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行抗跌落仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化,滿(mǎn)足拋投使用需求。該研究可擴(kuò)大拋投機(jī)器人使用范圍,對(duì)復(fù)雜空間抵近偵察具有重要意義。具體進(jìn)行以下研究工作:分析已有的小型越障機(jī)構(gòu),以體積小、重量輕和高越障性能為目標(biāo),提出一種連續(xù)翻轉(zhuǎn)大跨度越障原理及結(jié)構(gòu)方案。在小型輪式底盤(pán)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)擺臂組件,擺臂繞底盤(pán)中心旋轉(zhuǎn),當(dāng)擺臂觸及地面或臺(tái)階等物體時(shí),在支反力作用下底盤(pán)向上抬升,底盤(pán)處于豎直姿態(tài)后,擺臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)下壓,迫使底盤(pán)向前傾倒并完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。機(jī)器人可通過(guò)底盤(pán)連續(xù)翻轉(zhuǎn)這種大跨度的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)爬樓梯功能。圍繞該結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行機(jī)械、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),研制翻轉(zhuǎn)越障拋投機(jī)器人初始樣機(jī)。針對(duì)四固定輪底盤(pán),建立平地機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合不同工作狀態(tài),分析機(jī)器人直行、轉(zhuǎn)彎、爬坡?tīng)顟B(tài)對(duì)動(dòng)力特性的需求。將爬樓梯時(shí)底盤(pán)翻轉(zhuǎn)一次過(guò)程分為8個(gè)狀態(tài),建立完整的爬樓梯運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分析特征尺寸設(shè)計(jì)要求,并進(jìn)一步建立機(jī)器人特征尺寸與臺(tái)階高度的關(guān)系。基于典型狀態(tài)進(jìn)行受力分析,并提出爬樓梯穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn)及主要影響因素。基于多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn及其控制模塊Colink建立機(jī)器人機(jī)械-控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型。其中機(jī)械系統(tǒng)包含結(jié)構(gòu)質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦阻力等信息;控制系統(tǒng)包含運(yùn)動(dòng)控制器模型及電機(jī)模型。借助該虛擬樣機(jī)進(jìn)行爬樓梯仿真,初步驗(yàn)證底盤(pán)翻轉(zhuǎn)式爬樓梯方案的可行性,以及理論模型正確性;進(jìn)行機(jī)器人加速、轉(zhuǎn)彎、爬坡等仿真,對(duì)機(jī)器人最大速度、爬坡角度、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩等性能、參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)�？沟涫菕佂稒C(jī)器人重要性能之一�；诜蔷�性有限元分析軟件ABAQUS對(duì)初始樣機(jī)進(jìn)行跌落仿真。針對(duì)機(jī)器人材料的沖擊響應(yīng)特性和損傷機(jī)理,選用3階Odgen模型描述橡膠超彈性本構(gòu)關(guān)系,以及Johnson-Cook模型描述金屬考慮應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。提出了四項(xiàng)跌落沖擊關(guān)注指標(biāo)及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),對(duì)初始樣機(jī)進(jìn)行三種典型姿態(tài)跌落仿真,判斷其抗沖擊性能并對(duì)關(guān)鍵部件存在問(wèn)題進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上,從輪胎結(jié)構(gòu)、殼體材料、電機(jī)軸聯(lián)接方式、輪軸保護(hù)機(jī)構(gòu)方面提出四項(xiàng)改進(jìn)措施,并進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化。對(duì)改進(jìn)后樣機(jī)進(jìn)行仿真對(duì)比,結(jié)果表明機(jī)器人在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、過(guò)載加速度、關(guān)鍵部位受力等方面性能大幅度提高,機(jī)器人可承載5m跌落沖擊。利用研制的機(jī)器人初始樣機(jī)進(jìn)行多種類(lèi)型樓梯攀爬試驗(yàn),結(jié)果表明翻轉(zhuǎn)式爬樓梯方案可行,特征尺寸設(shè)計(jì)合理,機(jī)器人對(duì)樓梯種類(lèi)具有廣泛適應(yīng)性。對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行平地機(jī)動(dòng)、爬坡試驗(yàn),以及草地、碎石地、沙地、廢墟/瓦礫地行駛試驗(yàn),驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)動(dòng)性能以及復(fù)雜地面環(huán)境的通過(guò)性能,并對(duì)理論模型、虛擬樣機(jī)模型正確性做出驗(yàn)證。對(duì)初始樣機(jī)輪式底盤(pán)進(jìn)行高度1m三種典型姿態(tài)跌落試驗(yàn),驗(yàn)證了仿真模型的正確性。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP242


本文編號(hào)：2759819