本文針對(duì)輪式機(jī)構(gòu)在山地、丘陵、高桿植被覆蓋等復(fù)雜地形下行進(jìn)困難以及現(xiàn)有步行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大、造價(jià)高等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種新型多足輪步行機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)融合了普通車(chē)輪速度快、傳動(dòng)效率高、能量損失少、控制簡(jiǎn)單以及步行機(jī)構(gòu)抓地力強(qiáng)、能適應(yīng)多種復(fù)雜地形的特點(diǎn),可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、軍事、探險(xiǎn)、救援、運(yùn)輸?shù)榷鄠�(gè)領(lǐng)域。本文以步行機(jī)構(gòu)常用研究方法為手段,對(duì)新型多足輪步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、穩(wěn)定性以及步態(tài)規(guī)劃等問(wèn)題進(jìn)行了研究,并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn),驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的合理性和可行性。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面。首先,根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)工作原理,設(shè)計(jì)多足輪機(jī)構(gòu),利用三維軟件完成建模,為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。第二,建立多足輪機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型,分析多足輪靜力學(xué)特性及其主要影響因素,初步確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案;通過(guò)有限元仿真分析,檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)受力的合理性,保證多足輪機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性要求。第三,建立多足輪運(yùn)動(dòng)學(xué)理論模型,分析多足輪結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律;建立重心偏移量與足桿數(shù)量間的數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化足桿數(shù)量,確定多足輪結(jié)構(gòu)參數(shù);規(guī)劃多足輪的行走步態(tài),分析多足輪行走步態(tài)的影響因素;進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析,驗(yàn)證理論模型的正確性,為動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。第四,對(duì)多足輪進(jìn)行實(shí)地行走動(dòng)力學(xué)特性仿真分析,研究多足輪在行走過(guò)程中,關(guān)節(jié)點(diǎn)受力在不同運(yùn)動(dòng)速度下的變化規(guī)律;分析多足輪在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩需求,以及在不同地況下的最大負(fù)載能力。最后,進(jìn)行多足輪樣機(jī)的試制以及實(shí)地試驗(yàn),研究多足輪樣機(jī)在不同地況下行走時(shí)足桿沖擊力以及最大負(fù)載能力。將理論、仿真分析和試驗(yàn)相結(jié)合,確定多足輪步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性。
【學(xué)位單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TH112
【部分圖文】：

隨著對(duì)自然界的探索范圍的擴(kuò)大，常用的輪式行進(jìn)機(jī)構(gòu)已經(jīng)不能滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)未域的探索以及在特殊地貌環(huán)境進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)的需求。然而，在地球上，超過(guò) 50％地面積是山地和丘陵等復(fù)雜環(huán)境，普通輪式機(jī)構(gòu)的應(yīng)用受到很大限制; 相反，人和等則可以輕易到達(dá)這些復(fù)雜地域的各個(gè)角落[1]。為適應(yīng)這些復(fù)雜環(huán)境的機(jī)械化作業(yè)基于仿生學(xué)原理的多足步行結(jié)構(gòu)及步行運(yùn)載工具開(kāi)始進(jìn)入人類(lèi)的研究視野。在行走之前，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以在相對(duì)平坦且堅(jiān)硬的地面上以低能耗高速移動(dòng)。但是，難柔軟的地面或崎嶇復(fù)雜的地面上移動(dòng)，而履帶式機(jī)構(gòu)以其高抓地性能和強(qiáng)勁動(dòng)力輸?shù)綇V泛應(yīng)用[2]。但是，面對(duì)復(fù)雜的山地、丘陵等植物茂密的特殊地貌，履帶式移動(dòng)也有很強(qiáng)的局限性，且靈活性較差。相比而言，步行機(jī)構(gòu)就能很好的解決這一問(wèn)題[3]此，步行機(jī)構(gòu)逐漸得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視并投入精力進(jìn)行深入研究。特別是在崎嶇密的植被上，步進(jìn)式車(chē)輛優(yōu)于輪式和履帶式車(chē)輛，具有更好的機(jī)動(dòng)性和地形適應(yīng)性[4此，步行機(jī)械或機(jī)器人在山地運(yùn)輸，救災(zāi)和采礦等許多特殊行業(yè)中具有非常廣闊的前景。它是國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[5]。

新型多足輪機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)括我國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家，開(kāi)始對(duì)步行機(jī)構(gòu)加大了研究。在此基礎(chǔ)上，更有學(xué)者提輪式和步進(jìn)式機(jī)構(gòu)相結(jié)合的研究方向。輪式和步進(jìn)式機(jī)構(gòu)的結(jié)合，可稱(chēng)之為輪腿組合式步行機(jī)構(gòu)。該類(lèi)型機(jī)構(gòu)綜合式和輪式機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，兼具輪式機(jī)構(gòu)的較強(qiáng)穩(wěn)定性和較高能量效率的特點(diǎn)以及步超強(qiáng)越障能力的特點(diǎn)，適用于更為復(fù)雜的地面環(huán)境，如山地、壕溝、陡坡等[12-15]組合式行走機(jī)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外眾多國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛研究[16]。

圖 1.3 Big Dog 四足機(jī)器人 圖 1.4 Big Dog 二代機(jī)器人 圖 1.5 獵豹四足機(jī)器人除 Big Dog 之外，2014 年 9 月美國(guó)麻省理工學(xué)院公布了奔跑機(jī)器人獵豹的最新（如圖 1.5 所示）。該機(jī)器人具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力和靈活性，室內(nèi)測(cè)試速度可達(dá) 16.里/小時(shí)。并且還可做到跨欄、越障、跳躍等高難度動(dòng)作[24]。Big Dog 的成功，帶動(dòng)了國(guó)外多個(gè)國(guó)家對(duì)多足步行機(jī)構(gòu)的研究。除美國(guó)外，日多足步行機(jī)構(gòu)的研究始于 20 世紀(jì) 80 年代，并不斷加大研究力度，取得了巨大的技步。行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，其功能和實(shí)用性不斷提高。日本代表性的步行是由日本千葉大學(xué) 2007 年公布的 COMET-IV 步行機(jī)器人[25-26]。COMET-IV 還采用驅(qū)動(dòng)的六腿對(duì)稱(chēng)布局，重量約為 2120 千克，承載能力為 424 千克[27]。COMET-IV 人的六腿對(duì)稱(chēng)布局允許在斜坡，極軟或崎嶇的地形上行走。如圖 1.6 所示，機(jī)器人執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)，如災(zāi)區(qū)救援和未知的環(huán)境調(diào)查[28]。

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