多模式移動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)理論研究.pdf

1、隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人的工作環(huán)境逐漸面向未知的復(fù)雜環(huán)境（如星球探測(cè)，地震救援等），其移動(dòng)方式也從單一方式逐步擴(kuò)展為多種模式的集成和復(fù)合。混合式、自重構(gòu)以及其他新型移動(dòng)技術(shù)也不斷被開發(fā)以提升機(jī)器人移動(dòng)能力。本文從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度出發(fā)，將移動(dòng)機(jī)器人看作為移動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，嘗試?yán)眠B桿機(jī)構(gòu)的靈活特性，盡可能地提升機(jī)構(gòu)的移動(dòng)能力。本文首次系統(tǒng)地提出了具有全姿態(tài)移動(dòng)能力的多模式移動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)概念。即多模式移動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)是一種依靠機(jī)構(gòu)自身變形和運(yùn)

2、動(dòng)形式的變化，將多種移動(dòng)方式（如滾動(dòng)、蛇形、輪式或腿式等）在同一套機(jī)構(gòu)上集成和切換，并且在任意狀態(tài)下均具有移動(dòng)能力的復(fù)雜變形閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu)?；谠撍枷耄撐姆謩e針對(duì)平行四邊形機(jī)構(gòu)、平面和空間閉環(huán)機(jī)構(gòu)，對(duì)多模式機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)和模式分析方法進(jìn)行了探索研究。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)使用單個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，通過冗余電機(jī)對(duì)機(jī)構(gòu)奇異位置的控制，實(shí)現(xiàn)平行四邊形和反平行四邊形機(jī)構(gòu)的狀態(tài)切換，分別對(duì)著兩種狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，得到了滑行、

3、爬行和側(cè)滾模式。進(jìn)一步分別利用爬行和側(cè)滾步態(tài)，研究了單自由度的機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向方法。
　　(2)根據(jù)Bricard縮放機(jī)構(gòu)和變胞機(jī)構(gòu)原理，提出一種可以在平行四邊形機(jī)構(gòu)和球面四桿機(jī)構(gòu)之間自由切換的空間八桿機(jī)構(gòu)，分析其在各自狀態(tài)下的移動(dòng)能力，得到了平行四邊形(PPM)滾動(dòng)模式和球面四桿(SFM)滾動(dòng)模式。綜合使用兩種模式，機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和自由轉(zhuǎn)向。
　　(3)以平行四邊形機(jī)構(gòu)單元，根據(jù)中心對(duì)稱原則，構(gòu)造具有內(nèi)驅(qū)動(dòng)的單自由度多環(huán)機(jī)構(gòu)?；?/p>

4、于ZMP原理，分析其主動(dòng)滾動(dòng)模式和滾動(dòng)步態(tài)。此外，利用機(jī)構(gòu)的自平衡位置，對(duì)機(jī)構(gòu)變形進(jìn)行分析，得到了機(jī)構(gòu)被動(dòng)步滾的原理與條件。
　　(4)提出一種等效四面體機(jī)構(gòu)的三叉機(jī)構(gòu)，并基于此四面體單元，提出了構(gòu)造具有多面體外形的多模式移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以及移動(dòng)模式分析流程。并以雙單元（雙三角錐機(jī)構(gòu)）為例對(duì)機(jī)構(gòu)移動(dòng)模式分析進(jìn)行闡述。
　　(5)基于單自由度雙三角錐機(jī)構(gòu)，得到了定向和概率滾動(dòng)兩種模式，并依靠概率特性提出了單自由度機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向機(jī)制以

5、及控制策略，通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證策略的有效性。從而使得單自由度雙三角錐機(jī)構(gòu)可以向平面任意目標(biāo)區(qū)域的移動(dòng)。
　　(6)結(jié)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)、縮放機(jī)構(gòu)和可重構(gòu)原理，提出了三類移動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)。綜合多操作模式的思想，對(duì)這類機(jī)構(gòu)的變形特征和移動(dòng)能力進(jìn)行研究。首先，針對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)連桿結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提出了可移動(dòng)3-RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)，結(jié)合平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)模式，研究其基本的全姿態(tài)滾動(dòng)模式。其次，在3-RSR并聯(lián)移動(dòng)機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，將平臺(tái)拓展為單自由度縮放機(jī)構(gòu)以增加平臺(tái)操作

6、模式。進(jìn)一步分析移動(dòng)模式，得到了蠕動(dòng)，自穿越模式和滾動(dòng)三種移動(dòng)模式。再次，根據(jù)支鏈機(jī)構(gòu)的奇異特性，提出了將并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈轉(zhuǎn)化為串聯(lián)式機(jī)構(gòu)的構(gòu)造方法和折疊變形技術(shù)。進(jìn)一步提煉出了一種將并聯(lián)移動(dòng)機(jī)構(gòu)整體轉(zhuǎn)化為串聯(lián)式腿式機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法。通過平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模式和支鏈的變形分析，得到了滾動(dòng)、側(cè)翻、類輪式以及腿式四種移動(dòng)模式。此外，對(duì)各模式之間的過渡狀態(tài)以及切換規(guī)律進(jìn)行了分析，以獲得不同移動(dòng)模式快速轉(zhuǎn)換的方法。通過這部分的研究工作，使移動(dòng)機(jī)構(gòu)綜合集成了