本文關(guān)鍵詞：仿螃蟹步行機構(gòu)研制及其運動特性分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著人類科技文明的不斷進(jìn)步,各種適合于非常規(guī)地面移動機構(gòu)的開發(fā)已成為世界各國的關(guān)注的焦點,仿生步行機構(gòu)的研究對于開發(fā)復(fù)雜地形的行走機構(gòu)具有十分重要的意義。步行機構(gòu)相對于輪式、履帶式行走機構(gòu)具有良好的通過性能和復(fù)雜地形適應(yīng)能力,可以更好地在極端環(huán)境中發(fā)揮作用,因此被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害救援、軍事偵察、深空探測、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。自然界中有許多步行動物都具有出色的運動能力,能夠在各種復(fù)雜環(huán)境中來去自如。國內(nèi)外研究工作者希望通過尋找到步行動物身體系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)和控制機制,并應(yīng)用在步行機構(gòu)上,以此來提高步行機構(gòu)的通過性能。本研究以在松軟地面上生活的中華絨螯蟹為研究對象,基于中華絨螯蟹的步態(tài)信息及運動特性,結(jié)合非結(jié)構(gòu)地面特點,運用工程仿生學(xué)原理,對非常規(guī)地面環(huán)境行走機構(gòu)進(jìn)行研究,旨在提高其在非常規(guī)地面通過性和穩(wěn)定性。通過觀察分析中華絨螯蟹在不同地面及不同狀態(tài)下的行走特點,并結(jié)合中華絨螯蟹自身生理結(jié)構(gòu)特性,從簡化機構(gòu)及其控制系統(tǒng)出發(fā),通過模仿螃蟹的行走方式開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越的仿螃蟹六足橫向移動步行機構(gòu),并對其運動特性進(jìn)行研究。論文主要進(jìn)行以下幾方面的工作:(1)分析中華絨螯蟹單個步足的運動特點,結(jié)合桿件類機構(gòu)的末端軌跡,提出幾種可行的仿螃蟹步行機構(gòu)腿部結(jié)構(gòu),并利用多體動力學(xué)軟件ADAMS對單腿機構(gòu)進(jìn)行仿真分析,最終選定六連桿機構(gòu)作為步行機構(gòu)的腿部結(jié)構(gòu)。(2)除去螃蟹前端兩只不參與行走的螯,以及螃蟹尾端第四對步足(L4和R4),將步行機構(gòu)簡化設(shè)計為六足式,腿部運動由六連桿機構(gòu)實現(xiàn)�；隗π飞眢w是左右對稱結(jié)構(gòu),本研究將六足均勻分布基體兩側(cè),采用直流電機驅(qū)動,并利用三維建模軟件CATIA完成整體機構(gòu)的構(gòu)建。(3)采用ADAMS對步行機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)仿真,生成視頻文件,然后利用二維/三維運動分析系統(tǒng)Simi motion逐幀解析仿螃蟹步行機構(gòu)的運動圖像,得出一個完整周期內(nèi),步行機構(gòu)各條腿的支撐相、擺動相和負(fù)荷因數(shù)。對各條腿進(jìn)行編號,基于Simi motion獲取的數(shù)據(jù),得到步行機構(gòu)在平路面行走時的步態(tài)時序圖,與中華絨螯蟹在平整硬路面的步態(tài)時序圖進(jìn)行對比,結(jié)果表明兩者具有很高的相似度,相似度達(dá)到75%。(4)在負(fù)載條件下,對仿螃蟹步行機構(gòu)初始樣機進(jìn)行測試,結(jié)果表明步行機構(gòu)在負(fù)載為5.5kg的條件下,能完成預(yù)期行走動作。為分析仿螃蟹步行機構(gòu)行走特性,在不同粗糙度地面上開展與輪式模型車的通過性對比試驗,利用運動圖像解析軟件Simi motion完成了對試驗數(shù)據(jù)的處理,結(jié)果表明針對不同地形仿螃蟹步行機構(gòu)具有較好的適應(yīng)能力,在大粗糙度硬地面(Ra=4.54)和松散干沙地面(Ra=2.10)上通過性能良好;在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中所涉及的粗糙地面上,仿螃蟹步行機構(gòu)較輪式模型車的平順性好;仿螃蟹步行機構(gòu)和輪式模型車在小粗糙度地面(Ra=2.91)上沿X軸方向(橫向)位移波動極差和最大加速率比較接近,分別相差5%和7%。沿Z軸方向(垂向)二者區(qū)別較大,仿螃蟹步行機構(gòu)位移和加速率最大值較輪式模型車分別降低75%和26%。(5)為進(jìn)一步提高仿螃蟹步行機構(gòu)的運動平順性。采用CATIA建立不同腿部桿件尺寸的步行機構(gòu)三維實體模型,并在ADAMS中完成運動學(xué)仿真,導(dǎo)出步行機構(gòu)各腿關(guān)節(jié)位移和角度數(shù)據(jù),反算得到特征點的波動特性參數(shù),根據(jù)需求建立多種目標(biāo)函數(shù),通過運行多目標(biāo)、多參數(shù)的優(yōu)化軟件從而獲得最優(yōu)的腿部桿件設(shè)計參數(shù),最終優(yōu)化結(jié)果為:GF=31.6mm,EF=36mm,EH=115mm。(6)針對優(yōu)化后的仿螃蟹步行機構(gòu),進(jìn)行與初始原型在4種地面的對比試驗,并利用三維運動圖像分析軟件Simi motion對運動視頻信息進(jìn)行解析,導(dǎo)出運動學(xué)參數(shù),計算得到各個性能指標(biāo)和目標(biāo)函數(shù)值。結(jié)果表明優(yōu)化后的仿螃蟹步行機構(gòu)在4種地面上目標(biāo)函數(shù)值總體上較初始樣機好,部分目標(biāo)函數(shù)值降低超過50%,充分體現(xiàn)優(yōu)化后的仿螃蟹步行機構(gòu)具有更好的通過性能。本研究不僅提出適合在非常規(guī)地面行走的仿蟹步行機構(gòu)的設(shè)計方案,為提高步行機構(gòu)在不平地面通過性研究提供基礎(chǔ)研究設(shè)備條件,還為松軟地面上仿生觸土部件的研究提供了試驗平臺。
【關(guān)鍵詞】：仿生步行機構(gòu) 中華絨螯蟹 仿真分析 非結(jié)構(gòu)地面 通過性
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH112
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 研究背景和意義12-14
• 1.2 地面行走機構(gòu)概況14-15
• 1.2.1 地面行走機構(gòu)分類14
• 1.2.2 常規(guī)行走機構(gòu)工作特點14
• 1.2.3 非常規(guī)行走機構(gòu)性能特點14-15
• 1.3 多足步行機構(gòu)研究現(xiàn)狀15-22
• 1.3.1 國外多足步行機構(gòu)研究現(xiàn)狀15-20
• 1.3.2 國內(nèi)腿式行走機構(gòu)研究現(xiàn)狀20-22
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容22-26
• 1.4.1 研究的技術(shù)路線22-23
• 1.4.2 研究主要內(nèi)容23-26
• 第2章 面向步行機構(gòu)的仿生學(xué)研究26-38
• 2.1 引言26-27
• 2.2 仿生原型及其習(xí)性27
• 2.3 中華絨螯蟹生物學(xué)特征分析27-31
• 2.3.1 中華絨螯蟹身體結(jié)構(gòu)組成27-28
• 2.3.2 中華絨螯蟹螯和步足28-30
• 2.3.3 中華絨螯蟹步足功能分析30-31
• 2.4 中華絨螯蟹在的平路面運動步態(tài)和足端運動軌跡31-36
• 2.4.1 步態(tài)的相關(guān)定義和研究方法31
• 2.4.2 運動學(xué)試驗分析過程31-33
• 2.4.3 試驗結(jié)果與分析33-36
• 2.5 本章小結(jié)36-38
• 第3章 仿螃蟹步行機構(gòu)的設(shè)計38-56
• 3.1 引言38-39
• 3.2 仿螃蟹步行機構(gòu)腿部結(jié)構(gòu)選擇39-44
• 3.2.1 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計要求39
• 3.2.2 腿部機構(gòu)確定39-44
• 3.3 仿螃蟹步行機構(gòu)整體設(shè)計44-50
• 3.3.1 本研究采用的CATIA和ADAMS44-46
• 3.3.2 仿螃蟹步行機構(gòu)單個腿部結(jié)構(gòu)三維建模與仿真分析 ..353.3.3 仿螃蟹步行機構(gòu)步行腿的布置46-49
• 3.3.4 仿螃蟹步行機構(gòu)整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計49-50
• 3.4 仿螃蟹步行機構(gòu)運動學(xué)的動態(tài)仿真50-52
• 3.5 仿螃蟹步行機構(gòu)樣機步態(tài)獲取52-54
• 3.6 本章小結(jié)54-56
• 第4章 仿螃蟹步行機構(gòu)行走特性分析56-74
• 4.1 引言56
• 4.2 仿螃蟹步行機構(gòu)運動性能基本參數(shù)指標(biāo)56-57
• 4.3 仿螃蟹步行機構(gòu)和輪式模型車對比試驗條件57-61
• 4.3.1 試驗設(shè)備57-59
• 4.3.2 對比試驗路面的設(shè)計與研制59-61
• 4.3.3 對比試驗對象61
• 4.4 仿螃蟹步行機構(gòu)和輪式模型車對比試驗方法61-63
• 4.4.1 試驗過程61-62
• 4.4.2 數(shù)據(jù)采集62-63
• 4.5 仿螃蟹步行機構(gòu)與輪式模型車對比試驗結(jié)果與分析63-72
• 4.5.1 數(shù)據(jù)處理63-66
• 4.5.2 試驗結(jié)果分析66-72
• 4.6 本章小結(jié)72-74
• 第5章 仿螃蟹步行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化74-96
• 5.1 引言74
• 5.2 試驗參數(shù)求解理論依據(jù)74-79
• 5.2.1 空間角度計算74-76
• 5.2.2 擺動角和俯仰角計算76-79
• 5.3 優(yōu)化指標(biāo)和目標(biāo)函數(shù)79-81
• 5.3.1 性能指標(biāo)79
• 5.3.2 目標(biāo)函數(shù)79-81
• 5.4 優(yōu)化方法及虛擬試驗81-89
• 5.4.1 優(yōu)化目標(biāo)81
• 5.4.2 優(yōu)化試驗方法81-82
• 5.4.3 尋優(yōu)計算82-89
• 5.5 優(yōu)化結(jié)果驗證89-93
• 5.5.1 試驗條件89
• 5.5.2 試驗分析與處理89
• 5.5.3 試驗結(jié)果對比89-93
• 5.6 優(yōu)化試驗路線圖93
• 5.7 本章小結(jié)93-96
• 第6章 結(jié)論與展望96-100
• 6.1 主要結(jié)論96-98
• 6.2 研究展望98-100
• 參考文獻(xiàn)100-108
• 導(dǎo)師及作者簡介108-110
• 攻讀碩士學(xué)位期間學(xué)術(shù)成果、參加科研和獲獎情況110-112
• 致謝112

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本文編號：371884