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工程设计学报
工程设计学报  2023, Vol. 30 Issue (2): 189-199    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.029
保质设计     
可变向多地形移动全R副并联机器人
张春燕1(),江毅文1,杨杰1,蒋新星2
1.上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201600
2.华虹半导体（无锡）有限公司，江苏 无锡 214142
Variable-direction multi-terrain mobile full R pair parallel robot
Chunyan ZHANG1(),Yiwen JIANG1,Jie YANG1,Xinxing JIANG2
1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China
2.Huahong Semiconductor Co. , Ltd. , Wuxi 214142, China
 全文: PDF(7772 KB)   HTML
摘要：

为了提升并联机器人适应多重复杂地形环境的能力，通过结合可重构并联机器人与多运动模式移动机器人的优势，提出了一种可变向多地形移动全R副并联机器人。以平面单环4R机构为本体，基于相邻运动副的空间轴线关系构造具有三方向转动能力的闭链机构，并以此为本体，基于正交的空间几何关系，将2个全R副单闭链组成一个可通过几何变形和自重构的方式实现多种滚动模式的全向移动并联机构。然后，对所设计的并联机器人进行自由度理论分析验证、步态规划仿真及运动控制设计。最后，制作机器人样机，通过实验来验证机器人设计方案及其运动模式的可行性。结果表明，使用几何变形和自重构的方式可提升并联机器人适应多重复杂地形环境的能力。研究结果可为多模式并联移动机器人的设计提供新思路。
关键词： 可变向移动;  全R副并联机器人;  多地形移动;  运动控制设计    
Abstract:

In order to improve the ability of parallel robots to adapt to multiple complex terrain environments, a variable-direction multi-terrain mobile full R pair parallel robot was proposed by combining the advantages of reconfigurable parallel robots and multi-motion mode mobile robots. Based on the spatial axis relation of adjacent kinematic pairs, a closed chain mechanism with three-direction rotation ability was constructed by taking the planar single-ring 4R mechanism as the body. Based on the orthogonal spatial geometric relation, two closed chains with full R pairs were formed into an omni-directional mobile parallel mechanism which could realize multiple rolling modes through geometric deformation and self-reconstruction. Then, the degree of freedom analysis and verification, gait planning simulation and motion control design for the designed parallel robot were carried out. Finally, the robot prototype was made to verify the feasibility of the robot design scheme and its motion mode through experiments. The results showed that using geometric deformation and self-reconstruction could improve the ability of parallel robots to adapt to multiple complex terrain environments. The research results can provide a new idea for the design of multi-mode parallel mobile robots.
Key words: variable-direction mobile    full R pair parallel robot    multi-terrain mobile    motion control design
收稿日期: 2022-10-10 出版日期: 2023-05-06
CLC:  TP 242  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51375287);上海市研究生科研创新基金资助项目(19KY0151)
作者简介: 张春燕（1980—），女，安徽淮北人，副教授，博士，从事机器人机构学研究，E-mail: cyzhang@sues.edu.cn，https://orcid.org/0000-0003-1390-4562
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张春燕
江毅文
杨杰
蒋新星

引用本文:

张春燕,江毅文,杨杰,蒋新星. 可变向多地形移动全R副并联机器人[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 189-199.

Chunyan ZHANG,Yiwen JIANG,Jie YANG,Xinxing JIANG. Variable-direction multi-terrain mobile full R pair parallel robot[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(2): 189-199.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.029    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I2/189

图1  可变向多地形移动全R副并联机构的拓扑演变过程
图2  可变向多地形移动全R副并联机构的多模式运动机理
运动模式构型示意支链简图运动旋量约束旋量自由度
可变向滚动$12=(0?1?0?;a2?0?c2)$13=(1?0?0?;0??b3?c3)$14=(1?0?0?;0??0??c4)$15=(0?1?0?;0??0??c5)$11r=(0??0?0?;0???0??1)$12r=(a6?0?1?;b6?c6?0)2
变宽度滚动$11=(0??0??1;a1??0???0)$12=(0??1??0;a2??0??c2)$13=(1??0??0;?0???b3?c3)$14=(1??0??0;?0???0??c4)$15=(0??1??0;?0???0??c5)$16=(0??0??1;?0???0???0)无6
跨越式滚动$11=(0??0??1;0??0??0)$16=(0??0??1;0??0??0)$11r=(1?0?0;0?0?0)$12r=(0?1?0;0?0?0)$13r=(0?0?1;0?0?0)$14r=(0?0?0;1?0?0)$15r=(0?0?0;0?1?0)4
低重心滚动$11=(0??0??1;0??0??0)$16=(0??0??1;0??0??0)$11r=(1?0?0;0?0?0)$12r=(0?1?0;0?0?0)$13r=(0?0?1;0?0?0)$14r=(0?0?0;1?0?0)$15r=(0?0?0;0?1?0)4
表1  不同运动模式下可变向多地形移动全R副并联机构的自由度分析
图3  机器人舵机分布示意
图4  可变向滚动模式步态规划
图5  变宽度滚动模式步态规划
图6  跨越式滚动模式步态规划
图7  低重心滚动模式步态规划
图8  机器人运动模式切换示意
图9  机器人自适应步态规划流程
图10  机器人倾倒恢复运动规划
图11  机器人倾倒恢复示意
图12  舵机控制逻辑拓扑图
图13  变宽度滚动模式的舵机控制逻辑
图14  跨越式滚动模式的舵机控制逻辑
图15  机器人运动控制系统流程
图16  机器人控制系统结构
图17  机器人可变向滚动运动形态仿真结果
图18  机器人变宽度滚动运动形态仿真结果
图19  机器人跨越式滚动运动形态仿真结果
图20  机器人低重心滚动运动形态仿真结果
图21  机器人实物样机
参数数值
质量/kg2.6
工作电压/V5
初始高度/mm340
初始宽度/mm315
电源模块/V12
表2  机器人实验样机参数
图22  机器人可变向滚动实验现场
图23  机器人变宽度滚动实验现场
图24  机器人跨越式滚动实验现场
图25  机器人低重心滚动实验现场
图26  非结构化地形下机器人滚动实验结果
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