模块化四面体机器人的研究与设计

模块化设计思想是一种拥有诸多优点的新兴设计理论,而运用模块化设计思想设计机器人则能够实现机器人的柔性扩展,也是机器人技术发展的必然趋势。与此同时,在移动机器人领域,多面体机器人是一种新兴事物,具有很强的环境适应能力,实现多面体机器人的模块化则有助于移动机器人技术的发展。基于此背景,本文以多面体机器人为研究对象,对其模块化设计方案进行研究,并以两款具有不同运动副的四面体机器人为实例进行设计方案的验证。首先,从几何学的角度对多面体进行分析,分析其实现运动的方式和基本结构组成单元,并与多面体机器人进行对比,从机构学角度分析出适合于此类机器人的运动实现方式和基本结构单元。接下来以基本结构单元为设计出发点,对两款具有不同运动副的模块化多面体机器人的机构模块构形、机构模块间连接、控制方案、控制系统硬件模块间连接进行设计,并对控制系统硬件模块初步选型和软件模块化实现进行研究。然后,基于模块化多面体机器人的设计方案,以两款具有不同运动副的四面体机器人为实例,实现其模块化的同时,分别进行运动学分析、控制系统硬件具体选型和软件流程设计,以验证多面体机器人模块化设计方案的可行性。其次,基于运动学分析,对两款四面体机器人设计不同的步态变换步骤并由运动俯视图分析其共有的步态分布规律。以此步态分布规律为依据,对基于R副模块化四面体机器人控制系统的实时控制算法进行了设计,实现了机器人根据所处的位置和操作者的控制命令进行特定方向的运动,并运用面向对象编程技术的实现其模块化。与此同时,基于传感器的检测原理,对基于R副模块化四面体机器人控制系统的运动检测算法进行了设计,并对其初始方案进行误差分析,设计出了校正零位偏移误差、随机误差和积累误差具有更高精度的运动检测算法,也运用面向对象编程技术实现了其模块化。最后,对基于R副模块化四面体机器人的主要零部件进行加工,制作并装配其样机和控制系统,进行试验调试,实现了本文模块化设计方案。