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【6h】

多面体4RSR变形移动机构的研究

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摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 多面体变形移动机构研究现状

1.3 移动机构运动控制研究现状

1.3.1 运动控制系统研究现状

1.3.2 移动机构运动控制研究现状

1.4 课题研究背景及意义

1.5 本文研究方法与内容安排

1.5.1 本文研究方法

1.5.2 章节内容安排

1.6 本章小结

2 4RSR机构方案设计与分析

2.1 机构的提出和结构组成

2.1.1 机构的提出

2.1.2 机构结构组成

2.2 4RSR机构自由度

2.2.1 自由度计算公式

2.2.2 自由度的确定

2.2.3 4RSR机构的变形

2.3 4RSR机构的运动学分析

2.3.1 机构的数学模型

2.3.2 机构的运动学分析

2.4 4RSR机构的稳定性分析

2.4.1 稳定性分析原理

2.4.2 机构ZMP数学模型

2.4.3 参数对ZMP点的影响分析

2.5 本章小结

3 4RSR机构的建模与仿真

3.1 虚拟样机技术

3.2 ADAMS仿真软件

3.3 4RSR机构的建模与运动仿真

3.3.1 ADAMS仿真模型的建立

3.3.2 ADAMS仿真分析

3.4 本章小结

4 4RSR机构控制系统设计

4.1 功能规划

4.1.1 Arduino简介

4.1.2 LabVIEW简介

4.1.3 4RSR机构功能规划

4.2 控制系统硬件组成

4.2.1 运动控制器

4.2.2 驱动电机

4.2.3 L298P Motor Shield电机驱动板

4.2.4 电位器

4.2.5 APC220无线通讯模块

4.2.6 电路连接图

4.3 软件结构和参数设置

4.3.1 软件结构

4.3.2 系统参数设置

4.4 人机交互界面开发

4.5 本章小结

5 样机制作与调试

5.1 零件结构设计与加工

5.1.1 顶板与侧板设计与加工

5.1.2 球副的设计与加工

5.1.3 样机装配

5.2 样机调试

5.2.1 实物样机调试

5.2.2 波形显示

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集

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摘要

随着移动机器人的迅速发展,机器人的构型在一定程度上有了很高的突破。以多面体为移动本体的移动机器人能够通过多面体自身的各种变形实现机器人的形状变化以及移动步态,这类机器人易于存放和运输,可操作性强。随着信息技术教育课程与教材改革的深入,机器人教育目前已经走进青少年科技教育领域,在科技教学上采用变形能力强,结构突出的机器人,进而让青少年学习和掌握其关键技术。为此,本文提出了一种基于截角六面体形状的空间多面体4RSR机构,以此为研究对象,对其进行运动分析及控制研究。
  首先,本文以截角六面体为原型,对4RSR机构的结构进行了设计,基于该机构的构型,对机构进行了自由度的分析、机构的运动模式分析,建立了机构的数学模型,按照其运动模式分析了机构的运动原理,从机构运动学的角度进行了运动学理论分析计算。根据机构的运动原理采用零力矩点(ZMP)对机构进行了稳定性分析,讨论了机构中不同参数对机构滚动能力的影响,得到了机构实现翻滚的条件。
  其次,为了验证4RSR机构的运动理论结果的正确性,对该机构建立了虚拟样机,通过ADAMS仿真分析软件对机构进行了运动能力的仿真,结果证明了理论分析的正确性,也通过一些仿真曲线得到了机构的运动规律和驱动力矩,为机构的驱动控制提供了可靠的数据依据。
  然后,基于4RSR机构的运动特点,设计了机构的控制策略,包括硬件的选型和软件的选择,采用Arduino UNO作为机构控制的硬件,LabVIEW作为机构控制的上位机软件,搭建了机构控制系统的软硬件结构,对机构的运动进行了参数设置,开发出机构的单步控制和滚动控制功能的人机交互用户界面。
  最后,对4RSR机构的主要零部件进行了设计与加工,制作出实物样机,进行了实验调试,实现了机构的变形移动功能,验证了机构理论分析的正确性。

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