基于虚拟样机技术的轮腿式移动机器人设计与仿真

论文摘要

轮腿式移动机器人综合了轮式移动机器人高速、高效、灵活的特点和腿式移动机器人较强的越障能力,同时与履带式移动机器人相比又有结构简单、自重小、功耗小的优点,使之在探测、排险、救援等各个领域得以广泛应用。本论文针对提出的项目要求,设计了一种成本较低,功能较强的八轮腿式移动机器人平台,并利用虚拟样机技术对机器人运动平台进行3D建模与仿真,验证其性能。论文主要完成的内容包括以下几个方面:首先,回顾了移动机器人的发展历程,搜集了国内外有关移动机器人和轮腿式移动机器人的最新研制资料,阐述了各种移动机器人的特点和轮腿式移动机器人的优缺点,介绍了虚拟样机技术的发展概况。其次,分析了课题项目要求,确定了移动方式和驱动方式的选择,设计了机器人平台的整体结构;设计了一种新型的轮腿传动系统;设计了移动机器人的驱动系统,包括传动方式的选择和部分零件的设计;使用Pro/E软件创建了移动机器人平台的3D模型。再次,完成了机器人平台的主要零件的机械设计,包括计算了各处电动机的功率、转速,完成电机和减速器的的型号选择;计算主轴、配轴和轴套传递的扭矩,确定它们的几何尺寸,校核其强度;设计轮腿传动机构中的齿轮,按照满足齿轮齿根疲劳强度要求计算各齿轮的参数,确定齿轮的模数、齿数和齿宽;计算了驱动系统传递的扭矩和力,选定链传动中链的型号,并设计了链轮。最后,使用ADAMS创建了虚拟样机的简化3D模型,并依照实际情况创建了虚拟样机仿真的环境参数,包括虚拟样机关键部件的材料选择和3D接触关系的参数设定;对虚拟样机进行了各种地形的运动仿真,包括爬坡、垂直障碍、壕沟、转向和侧倾地形的仿真,验证了移动机器人的各项功能;对轮腿组初始张角和轮腿长度进行了优化仿真。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 课题的来源和背景
• §1-2 移动机器人发展与分类
• §1-3 轮腿式移动机器人发展概况
• 1.3.1 国外轮腿式移动机器人的发展
• 1.3.2 国内轮腿式移动机器人的发展
• §1-4 虚拟样机技术概述
• §1-5 本论文的主要内容
• 第二章 轮腿式移动机器人平台构型
• §2-1 引言
• §2-2 移动机器人平台的设计要求
• §2-3 移动机器人平台的移动方案选择
• §2-4 轮腿式移动机器人平台的机构设计
• 2.4.1 轮腿式移动机器人平台的轮腿传动系统设计
• 2.4.2 轮腿式移动机器人平台的驱动系统设计
• §2-5 本章小结
• 第三章 轮腿式移动机器人平台的参数综合
• §3-1 引言
• §3-2 轮腿式移动机器人平台电机及减速器的选择
• 3.2.1 驱动电机及减速器的选择
• 3.2.2 摆腿电机及减速器选择
• 3.2.3 张腿电机及减速器选择
• §3-3 轮腿传动系统主要零件的设计和校核
• 3.3.1 主轴、配轴及轴套的设计
• 3.3.2 齿轮的设计
• §3-4 驱动系统的设计
• 3.4.1 链传动比的确定
• 3.4.2 链的计算与选择
• §3-5 本章小结
• 第四章 轮腿式移动机器人虚拟样机的动力学仿真
• §4-1 引言
• §4-2 虚拟样机仿真工具ADAMS 软件介绍
• §4-3 轮腿式移动机器人虚拟样机的建模
• 4.3.1 创建几何模型
• 4.3.2 添加约束和驱动
• §4-4 轮腿式移动机器人虚拟样机在各种地形中的运动仿真
• 4.4.1 20°爬坡仿真
• 4.4.2 攀越垂直障碍仿真
• 4.4.3 跨越壕沟仿真
• 4.4.4 转弯仿真
• 4.4.5 倾斜路面上行走仿真
• §4-5 轮腿式移动机器人参数优化
• 4.5.1 轮腿初始张角的优化仿真
• 4.5.2 轮腿长度的优化仿真
• §4-6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢