可变向多地形移动全R副并联机器人_张春燕.pdf

第 30 卷第 2 期2023 年 4 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.2Apr.2023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）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；运动控制设计中图分类号：TP 242 文献标志码：A 文章编号：1006-754X（2023）02-0189-11Variable-direction multi-terrain mobile full R pair parallel robotZHANG Chunyan1,JIANG Yiwen1,YANG Jie1,JIANG Xinxing2(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201600,China;2.Huahong Semiconductor Co.,Ltd.,Wuxi 214142,China)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随着移动机器人的应用领域从地震、火灾救援拓展到反恐排爆，甚至拓展到海底侦察、航空探测等1-3，其运动模式逐渐从单一化的固定模式发展到多样化的可重构模式，以适应非结构化环境。许多学者围绕移动机器人运动模式的变化做了大量研究4-8。通过研究发现，多样化的可重构模式主要有doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.029收稿日期：20221010 修订日期：20221128本刊网址在线期刊：http:/ 30 卷 2种：一种是通过将多种不同的移动装置直接组合来实现多运动模式9-10；另一种是利用自身结构的几何变形来实现自重构和多运动模式11-14。经对比发现，基于几何变形的可重构多运动模式移动机器人结构简单，驱动较少且易于控制15-16，是目前移动机器人领域的研究热点。近年来，以Tian、Wei等为代表的学者以连杆机构为单元构造了具有多种运动模式的可重构移动机器人17-18，并阐述了通过几何变形实现滚动、爬行、蠕动等多种运动模式的原理。这类移动机器人依靠简单的闭环机构，借助电机的分时控制实现机构各关节的驱动与锁止，从而实现多种运动模式的切换19-20。为提升并联机器人适应多重复杂地形环境的能力，笔者以3个平面单环4R机构为组成单元，设计了一种具有倾倒后自我恢复能力的可变向多地形移动全R副并联机器人，并对其进行构型设计和自由度分析；同时，以STM32为核心控制板开展机器人控制系统设计。最后，制作机器人样机，并基于步态规划方案开展4种运动模式及斜坡、台阶、壕沟等地形下的样机实验，以验证其机构设计与运动控制系统的有效性。1 机器人结构设计 1.1移动支链单元的选取在机构设计中，任意2条运动链的相邻运动副具有平行、相交和异面等关系，而相邻的转动副轴线具有平行、相交、交错三种关系。基于螺旋互易积原理21，可依次拓展出2R、3R、nR支链，并得到其约束螺旋系。根据式(1)可得：能组成最小运动单环的25种不同类型的4R支链具有1，2，3三种自由度19。其中，自由度为1的4R支链具有结构简单、易于控制等优点。因此，选取自由度为1的平面单环4R支链作为可变向多地形移动全R副并联机构的组成单元。F=f-C(1)式中：F为单环运动链的自由度；f为单环运动链中所有运动副自由度的总和；C为单环运动链运动旋量系的阶数。1.2多运动模式设计与分析自由度为1的平面单环4R机构具有轴线相互平行、沿轴线方向可等效为一个大“R”的几何特点22，且等效的大“R”可以形成各种不同的空间位置关系。由此将3组转动轴轴线互相平行的平面单环4R机构两两正交构型成图1所示的全R副并联机构。由图1所示的拓扑演变过程可见，3组轴线两两正交的平面单环4R机构形成了一个可沿X、Y、Z轴转动的 12R 单环的可重构多模式全向移动并联机构。图1中每个12R闭环机构均可视作图2所示的3组4R机构的组合体，且每组4R机构的转动轴均可绕 X、Y、Z 轴转动。根据图 2，当约束 R11、R31、R36、R16始终与Z轴平行时，由R14、R13、R33、R34构成的12R闭环机构可等效为平面单环4R机构，此时R12、R32、R35、R15始终与Y轴平行且可绕X轴转动，因此由2组相同的12R闭环机构正交后，保持同样的约束即可实现多模式移动并联机构的可变向滚动。同理，切换每个约束12R闭环机构中不同的轴线即可实现低重心滚动、跨越式滚动、变宽度滚动和可变向滚动等多种运动模式。当多模式移动并联机构处于可变向滚动模式时，其可通过转动平行于X轴的R副实现朝4个方向的滚动；当处于变宽度滚动模式时，可通过转动平行于Z轴的R副来改变机构整体的宽度，并通过转动平行于X轴的R副实现在狭窄通道内的滚动；当处于跨越式滚动模式时，可通过转动平行于X轴的R副让机构以双支链着地的形式进行滚动，由于着地的2条支链可看作独立的线，该模式下机构可实现在起伏地面上越障以及跨越壕沟、台阶等；当处于低重心滚动模式时，机构的单条支链与地面完全接触，驱动着地点的R副即可实现滚动。1.3各运动模式的自由度分析分析机构自由度的目的是验证机构是否具有相应的自由度以及能否实现对应的运动模式；同时，也是保证机构在有确定运动时选择驱动舵机数量的基础。采用螺旋理论21对不同运动模式下的可变向多地形移动全R副并联机构进行自由度分析，如表1所示。图1可变向多地形移动全R副并联机构的拓扑演变过程Fig.1Topological evolution process of variable-direction multi-terrain mobile full R pair parallel mechanism 190第 2 期张春燕，等：可变向多地形移动全R副并联机器人由表1可以看出，可变向滚动模式下该并联机器人具有绕X、Y轴转动的2个自由度；变宽度滚动模式下具有绕Z轴转动以及绕X、Y轴转动的6个自由度；跨越式滚动与低重心滚动模式下分别具有绕Z轴转动的4个自由度。由此可知，所设计的可变向多地形移动全R副并联机器人在理论上可实现可变向、变宽度、跨越式和低重心四种滚动模式。但若要实现上述多种运动模式，还需进行步态规划和运动控制系统设计。2 机器人自适应步态规划 2.1舵机分布按照上述4种运动模式，在可变向多地形移动图2可变向多地形移动全R副并联机构的多模式运动机理Fig.2Multi-mode motion mechanism of variable-direction multi-terrain mobile full R pair parallel mechanism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Table 1DOF analysis of variable-direction multi-terrain mobile full R pair parallel mechanism under different motion modes运动模式可变向滚动变宽度滚动跨越式滚动低重心滚动构型示意支链简图运动旋量$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)|$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)$11=(0 0 1;0 0 0)$16=(0 0 1;0 0 0)$11=(0 0 1;0