本文關(guān)鍵詞：基于范德華力的仿壁虎機(jī)器人在模擬空間環(huán)境下的黏附和運(yùn)動(dòng)仿真研究

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【摘要】：研究成本低、運(yùn)動(dòng)范圍大、可自主移動(dòng)的新型空間仿壁虎爬壁機(jī)器人,可以填補(bǔ)機(jī)械臂無法精細(xì)化、靈活操作的空缺,未來可以無障礙地爬行于宇宙飛船或空間站的艙體內(nèi)外,協(xié)助宇航員完成特定的檢修和勘探任務(wù),在航天領(lǐng)域?qū)⒂兄匾难芯恳饬x和廣泛的應(yīng)用前景。本文首先從可能影響機(jī)器人黏附可靠性的足端姿態(tài)開始分析,通過總結(jié)腳掌姿態(tài)變化角度與位移軌跡的關(guān)系,系統(tǒng)的研究了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中腿部擺動(dòng)對(duì)接觸姿態(tài)的影響,由此對(duì)踝關(guān)節(jié)被動(dòng)自由度的設(shè)計(jì)提出了要求;然后,研制了單腿測(cè)力平臺(tái),將其分別置于大氣常溫、真空、高溫環(huán)境中,驗(yàn)證腳掌干黏附材料是否適用于空間極端情況;最后,通過仿真分析總結(jié)了機(jī)器人在微重力環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為實(shí)物調(diào)試提供指導(dǎo)。主要工作如下:通過分析單腿自由度分布情況總結(jié)了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中腳掌的位姿變化,將姿態(tài)變化角度分解為接觸平面在原平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度和空間中的翻轉(zhuǎn)角度,分別分析了仿壁虎機(jī)器人單腿在法向黏附力測(cè)試、切向黏附力測(cè)試、脫附力測(cè)試過程中姿態(tài)變化角與足端位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系,分析結(jié)果可作為步態(tài)規(guī)劃、被動(dòng)自由度設(shè)計(jì)、腳掌精確控制的重要參考。提出了影響干黏附材料性能的步態(tài)參數(shù):預(yù)壓力及脫附軌跡角度,并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,使材料具有強(qiáng)黏附和易脫附的性能。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備改變環(huán)境真空度和溫度,并設(shè)計(jì)單腿測(cè)力平臺(tái),實(shí)時(shí)記錄不同軌跡下的足端黏脫附力,與大氣環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,總結(jié)得真空環(huán)境中材料黏脫附性能與大氣中幾乎無差異;高溫環(huán)境中隨著溫度的改變,在材料表面能和楊氏模量的綜合影響下,黏附、脫附效果和大氣中有稍有差異。利用ADAMS與ANSYS軟件分別建立機(jī)器人機(jī)身仿真模型與腳掌柔性模型,通過分析腳掌接觸力學(xué)優(yōu)化腳掌基底材料彈性模量及腳掌接觸速度等參數(shù);并在仿真軟件中分別設(shè)置重力和微重力環(huán)境,通過觀察機(jī)身質(zhì)心位移、關(guān)節(jié)角速度和輸出轉(zhuǎn)矩、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、足端力與力的沖量等數(shù)據(jù),綜合分析微重力環(huán)境對(duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性帶來的影響,將來可以利用仿真結(jié)論指導(dǎo)機(jī)器人實(shí)物調(diào)試,最后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定了較優(yōu)的腳掌基底。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：1282277