可重构机器人中折展结构基础设计理论研究

One of the most important properties of the new-generation intelligent multifunctional reconfigurable robots is to transform its geometric dimension and working space largely for different tasks. By now, there is no research interface between deployable structures, whose geometry can be changed largely, and reconfigurable robots. Therefore, a number of theoretical problems involving in their integration are needed to be investigated. ..This project is to study the reconfigurable robots whose fixed load-support mainbody will be replaced by the deployable structures. The spatial symmetry, group theory and screw theory will be applied to study the conceptual design of the deployable structures based on the stable deployed and folded configurations, and to analyse the compatibility behaviours of the integrated robot system with the deployable structures. The resultant reconfigurable robot will make the overall dimension changed in a large ratio without losing the basic robotic functions. ..Meanwhile, with the application of spatial mechanisms and their alternative forms, the synthesis approach for deployable structures with predeterminated configurations will be proposed. And the theoretical method on the geometric and kinematic compatibility analysis of the continuous mobile system will be developed. ..The result of the project will be a key input to the kinematic theory of the reconfigurable robots. It will also play as an important fundamental for the future space robots, rescue robots and service robots.

自身体积和工作空间的大尺寸改变是新一代智能化多功能可重构机器人的重要功能之一，但目前关于能够实现体积改变的折展结构和可重构机器人的研究仍处于并行而独立的发展状态，将两者有效的结合所涉及的若干理论问题有待研究解决。本项目以可以替代目前机器人刚性固定主体支撑结构的折展结构为对象，以空间几何对称性、群论、旋量理论为理论方法，解决折展结构基于双稳定态的系统理论设计及其与机器人集成后的总体协调性问题，以实现可重构机器人在确保双重基本功能前提下的大尺寸体积变化功能。在此过程中，引入空间机构及其变异形态，建立基于空间姿态的机构与折展结构的综合设计方法，以及折展机构与机器人集成系统的动态几何与运动协调性的理论分析方法。本项目的研究成果对于丰富和完善可重构机器人机构学理论，及其在未来太空机器人、搜救机器人和服务机器人领域中的应用都具有重要意义。

自身体积和工作空间的大尺寸改变是新一代智能化多功能可重构机器人的重要功能之一，但目前关于能够实现体积改变的折展结构和可重构机器人的研究仍处于并行而独立的发展状态，将两者有效的结合所涉及的若干理论问题有待研究解决。本项目以可以替代目前机器人刚性固定主体支撑结构的折展结构为对象，引入空间机构及其变异形态，建立基于空间姿态的机构与折展结构的综合设计方法，并对空间机构网格的变异形态进行了系统而完整的研究。为了全面分析折展结构的运动学特性，开展了基于旋量理论的空间过约束机构分叉行为的系统分析。研究表明，机构的重构可以通过奇异点的分叉行为来实现，获得了各种空间过约束机构之间的联系与共性，并且为这类机构之间的重构机构提出了有效的设计方法，扩大了空间过约束机构在新型多功能机构中的应用潜力。将结构分析与机构综合的理论相结合，旨在获得桁架结构与空间机构的等效转换，该方法为具有复杂拓扑结构的机构的自由度分析提供了一条新的途径。并建立了基于桁架变换的获得过约束机构的非过约束形式的方法和整体流程，非过约束机构形式在提升制造误差协调性的同时，保留了过约束机构具有较好刚性的部分特点，突破了过约束机构的实际工程应用的瓶颈。同时桁架结构与空间机构的等效转换方法，与空间过约束机构的协调理论相结合，针对空间多种多面体之间的可能变换方式，得到了多种单自由度的可展多面体设计。由于该类机构不破坏多面体内部的整体可用空间，且不存在不可折叠机架杆，使得所提出的可折展多面体机构具有更大的实际折展比。最后，提出了一种基于Bricard机构的可折展机器人，该机器人的主体为六杆可展单元，并配合3个足型支架，构成爬行机器人，其躯干具有折展功能，通过躯干的折展可以实现机器人的行走。在本次研究中进行了参数选择，机械结构与控制系统设计，步态规划等，先后搭建实践模型的实验平台3套，通过实际试验结果验证理论研究与模拟分析结果，最终确定了3足轮式机构为机器人的运动与驱动设计，进行了机器人的性能测试。机器人可沿不同方向前进，并可根据环境情况进行折展变形，为其将来应用于救援勘探等领域奠定了基础。本项目的研究成果对于丰富和完善折展结构与机器人的机构学理论，及其在未来太空机器人、搜救机器人和服务机器人领域中的应用都具有重要意义。