【摘 要】
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足式机器人具有运动灵活、抗侧踢、抗惯力、落足点离散等特点,使其能完成常规的轮式和履带式机器人无法完成的任务,具有对非结构化地形的高适应性。随着极端地形下的抢险救灾、极限作业、物品运输等多领域的应用需求日益明显,四足机器人作为其中的典型代表,也逐渐暴露出存在的诸多问题。例如在非结构化作业环境下,针对不同的环境需求,在机器人的设计方面存在需求耦合及排序混乱、机器人设计方法模糊、装配元件冲突干涉等问题,
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足式机器人具有运动灵活、抗侧踢、抗惯力、落足点离散等特点,使其能完成常规的轮式和履带式机器人无法完成的任务,具有对非结构化地形的高适应性。随着极端地形下的抢险救灾、极限作业、物品运输等多领域的应用需求日益明显,四足机器人作为其中的典型代表,也逐渐暴露出存在的诸多问题。例如在非结构化作业环境下,针对不同的环境需求,在机器人的设计方面存在需求耦合及排序混乱、机器人设计方法模糊、装配元件冲突干涉等问题,这也对机器人整机性能的优化提出了更大的挑战。因此,液压四足机器人设计过程中的方法研究,对其结构设计的科学性有着重要意义,同时可为整个设计过程提供理论与技术支持。本文采用质量功能展开(Quality Function Deployment,QFD)与设计结构矩阵(Design Structure Matrix,DSM)相耦合,对液压四足机器人的相关设计方法进行研究。主要的研究内容如下:(1)需求排序主观性消解及离散度聚类研究。针对液压四足机器人在野外非结构化环境下存在的需求排序问题,利用模糊隶属度模型,构建模糊需求软集合,消除信息传递中的模糊性与不确定性,通过逆向隶属度云发生器,将定量信息转化为定性概念,基于超熵算子评价法,将需求按亲疏关系进行划分,确保其相互独立性,降低聚类离散程度;(2)液压四足机器人腿部关节配置的选型分析。针对腿部选型的不确定性与离散性问题,基于LOWA算子将机器人腿部评价的相对语言变量向绝对语言变量转化,采用综合指数评价法确定满足机器人配置方案;(3)液压四足机器人腿部元件装配流程建模。采用分析网络建模与模糊设计结构矩阵相耦合,对机器人腿部元件间的信息依赖关系进行定量化表示,基于截集阈值以及效用理论对复杂元件聚类划分,从而优化腿部元件装配的执行顺序;(4)液压四足机器人整机科学设计。针对机器人设计中对仿真数据分析的局限性与依赖性问题,提出了功能-原理-行为-结构的设计方法,实现对设计层级的迭代,满足机器人整机设计的系统化,以及自顶至下多层级的设计要求,进一步提升了机器人性能;(5)功能-结构一体化软件验证。全文采用QFD与DSM耦合方法对液压四足机器人设计的相关方法进行研究,将环境分析到机器人设计整个流程融入到软件中,明确执行的结构单元和可实现性指标参数的内在关系,面向特定结构参数和具体功能因子,对功能模块和相应结构进行合理的协调匹配,实现最终液压四足机器人设计,体现了该方法的有效性及科学性。
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