链式可变形机器人的构形与运动研究

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题名	链式可变形机器人的构形与运动研究
作者	刘金国
学位类别	博士
答辩日期	2007-02-05
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳自动化研究所
导师	王越超 ; 马书根
关键词	可变形模块机器人链式履带车构形运动能力
其他题名	Configuration and Mobility Research for a Link-type Reconfigurable Robot
学位专业	机械电子工程
中文摘要	本文的研究内容围绕中国科学院创新基金和GUCAS-BHPB基金资助的项目“可变形机器人的研究”展开，其目的是研制具有较强环境适应能力和高机动性能的可变形移动机器人系统，为我国在灾难救援和特种作业等应用领域提供技术储备。论文首先对可变形机器人的研究现状进行了概述，接下来展开了三个方面的研究工作：平台方面，提出了一种新型可变形链式结构，并进行了结构设计和实验验证；构形方面，提出了基于相似理论的构形研究方法，对链式可变形机器人的构形设计和构形转化方法进行了研究；运动性能方面，通过理论和实验分析了链式可变形履带模块机器人不同构形的转向性能、越障性能和倾翻稳定性能等。各种用于非结构环境的移动机器人机构中，模仿生物蛇原型的链式机构由于具有多于确定空间位置和姿态所需的自由度，能够有效、迅速、可靠地响应许多复杂的作业任务，但是该类系统具有转向半径大和侧向稳定性差等缺点。在非结构环境中，机器人需要通过“以变应变”才能够应对复杂多变的任务和环境。因此，论文基于偏置关节的思想，提出了一种形态和结构均能够变化的新型链式结构。机器人的单个标准模块由模块本体、连接臂和偏置关节等组成。偏置关节避免了模块间的运动干涉，扩大了机器人模块间的相对运动空间。机器人模块的数量可以根据实际需要选择，机器人通过变形可以产生多种构形，同时每种构形又具有多种步态以适应作业任务的需要。根据变形机理，研制了链式可变形机器人样机，并对样机进行了相应的原理验证实验。链式可变形机器人构形的复杂性随着模块数量和构形数量的增加呈指数增长，增加了构形设计和构形控制的难度。针对构形设计和构形转化问题，本文基于相似理论，提出了构形研究的一般分析方法，并将其归纳成为：表达(Expression)、计数(Enumeration)、评价(Evaluation)和有效性(Efficiency)等四个方面的问题(简称“Four-E Problem”)。在构形设计方面，根据模块的物理结构和邻接关系提出了用构形矩阵来表达机器人结构的拓扑信息，并在仿真环境下进行有效的描述；提出了基于组合计数原理的递归算法用于多模块可变形机器人非同构构形的计数、枚举，并根据构形矩阵所表征的拓扑信息对构形进行评价；最后根据仿真结果，给出了可变形机器人的构形设计示例。在构形转化方面，论文利用图论中的基本思想和原理对机器人的构形和构形网络进行了建模，对构形转化的路径进行了计算，对构形转化的最佳路径和中心构形的选择进行了分析；以三模块可变形机器人的构形网络为例，证实了该方法的可行性。履带式移动机器人的运动能力涉及的问题很多，包括接地比压、驱动能力、地面阻力、启动特性、转向能力、越障能力、平顺性和倾翻稳定性等。本文主要研究链式可变形履带模块机器人不同构形的平面转向特性、系统越障性能和倾翻稳定性能等。论文首先对链式可变形履带模块机器人单模块(单履带)的接地比压分布进行了研究，并对接地比压的核心区域进行了分析。在复杂的环境中，机器人运动的路径多由弯曲的道路组成，转向性能是其改变运动方向的一种重要能力。转向形式通常有滑移转向和铰接转向两种，分别适用不同的构形。论文参照杨红旗模型和Kitano模型分别对链式可变形双模块机器人和链式可变形三模块机器人不同构形下的滑移转向和铰接转向进行了理论和实验分析。移动机器人的越障性能是机器人本体和环境相互作用时所产生的一种综合特性。论文分析了链式可变形机器人系统的斜坡爬行性能、沟壑爬行性能、楼梯爬行性能和倾翻稳定性能。考虑到城市环境中，楼梯是最为典型的障碍物之一，论文重点对履带式移动机器人在踢面爬升、踢面翻越和坡度线爬行等阶段的运动条件、运动性能和影响因素进行了分析。在非结构环境中，大多数情况是坎坷不平的地面和复杂的三维地形，机器人的倾翻稳定性(或者说是抗倾翻能力)非常重要。根据Iagnemma和Papadopoulos提出的稳定性分析方法，定义机器人的倾翻稳定锥，对履带式可变形机器人变形过程中的倾翻稳定性进行了综合判定，同时通过仿真比较了机器人三种对称构形在仰俯、倾斜和偏转等组合干扰下的倾翻稳定性。稳定锥方法，为可变形机器人的倾翻问题提供了有效的理论分析手段，同时稳定锥方法还可以适用于其它轮式或腿式移动机器人的稳定性分析。理论分析和实验表明，本文研制的履带驱动链式可变形机器人平台，具有多种构形和步态以适应不同的环境和任务，具有废墟、砾石、草地、沙地、楼梯、坡度和管道等城市或野外环境的通过能力。可变形机器人机构灵巧、结构紧凑、便于携带，它不仅能够用于救援、消防、公安和环保等领域，在星球探测、国防安全等方面也有着潜在的应用前景。
索取号	TP242/L72/2007
语种	中文
公开日期	2010-11-29
页码	152
分类号	TP242
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.ac.cn/handle/173321/119]
专题	沈阳自动化研究所_机器人学研究室
推荐引用方式 GB/T 7714	刘金国. 链式可变形机器人的构形与运动研究[D]. 沈阳自动化研究所. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2007.