【摘要】：隨著現(xiàn)代社會不斷地向前飛速發(fā)展,機器人技術(shù)與人類日常生活的關(guān)系變得越來越密不可分。球形兩棲機器人是機器人的重要組成部分,由于它是一種對稱的結(jié)構(gòu),所以它具有良好的環(huán)境適應性以及運動穩(wěn)定性,并且已經(jīng)廣泛地應用于日常生活的各個領(lǐng)域之中。因此對于球形兩棲機器人的研究已經(jīng)成為機器人研究領(lǐng)域的一個熱門話題。機器人廣泛應用的前提是必須具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能,所以對于球形兩棲機器人穩(wěn)定性的研究和分析是必不可少的。首先,本論文介紹了一種新型的球形兩棲機器人系統(tǒng)。該機器人是一種整體對稱的球形結(jié)構(gòu),其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,噪聲小,運動靈活等特點,它用帶有噴水直流推進器的噴水管作為自己的驅(qū)動腿單元,該機器人不僅能夠在陸地上的運行,還可以在水下環(huán)境中完成各種運動和作業(yè)。其次,為了分析球形兩棲機器人的陸地穩(wěn)定性和水下穩(wěn)定性,先進行了球形兩棲機器人的穩(wěn)定性理論分析,然后運用流固耦合力學理論對球形兩棲機器人在陸地環(huán)境下的運動進行了仿真分析,得出了球形兩棲機器人的總體變形圖,彈性應變分布以及等效應力分布,并分析了球形兩棲機器人的陸地運動穩(wěn)定性。球形兩棲機器人銅柱和水平舵機接觸處受到的壓強最大,達到了5 Pa,遠遠小于材料的屈服強度,滿足穩(wěn)定性要求。最后進行了球形兩棲機器人的陸地穩(wěn)定性實驗,驗證了球形兩棲機器人在不同步頻和步幅時的穩(wěn)定性,得出了球形兩棲機器人在陸地運行時的最優(yōu)擺動角度為30°,最優(yōu)擺動周期為0.2 s。最后,簡要介紹了流體力學分析理論,繪制了球形兩棲機器人的簡化模型,對噴水推進器進行了流體力學分析。并對球形兩棲機器人以及周圍水域進行了網(wǎng)格劃分,施加相應的約束,利用ANSYS軟件進行水下仿真,得到球形兩棲機器人在水下的壓力云圖和速度矢量圖,并分析了仿真結(jié)果,驗證了球形兩棲機器人的穩(wěn)定性。當球形兩棲機器人在水下做上升運動時,球殼頂部受到的力最大,達到了16N,遠小于亞克力材料的結(jié)構(gòu)強度,滿足穩(wěn)定性要求。之后進行了球形兩棲機器人的水下穩(wěn)定性實驗,并分析了實驗結(jié)果。當球形兩棲機器人在推進器輸入電壓為6V時,球形兩棲機器人在前進運動時的偏航角最小,在10°左右。為最穩(wěn)定的運動狀態(tài)。還進行了球形兩棲機器人沿直線運動的穩(wěn)定性實驗,當球形兩棲機器人在水下運動時,位移偏移最大值在0.1m以內(nèi),說明球形兩棲機器人具有沿直線運動的穩(wěn)定性;最后進行了球形兩棲機器人的軌跡跟蹤實驗,驗證了球形兩棲機器人的軌跡跟蹤能力。
[Abstract]:With the rapid development of modern society, the relationship between robot technology and human daily life becomes more and more inseparable. Spherical amphibious robot is an important part of robot. Because it is a symmetrical structure, it has good environmental adaptability and motion stability, and has been widely used in every field of daily life. Therefore, the research of spherical amphibious robot has become a hot topic in the field of robot research. It is necessary to study and analyze the stability of spherical amphibious robot because of its stable structure and performance. Firstly, this paper introduces a new spherical amphibious robot system. The robot is an integral symmetric spherical structure with stable structure, low noise and flexible movement. It uses a water spray pipe with a water jet DC propeller as its driving leg unit. The robot can not only operate on land, but also accomplish all kinds of motion and operation in underwater environment. Secondly, in order to analyze the land stability and underwater stability of spherical amphibious robot, the stability theory of spherical amphibious robot is analyzed. Then the motion of spherical amphibious robot in terrestrial environment is simulated and analyzed by using the theory of fluid-solid coupling mechanics, and the global deformation diagram, elastic strain distribution and equivalent stress distribution of spherical amphibious robot are obtained. The land motion stability of spherical amphibious robot is analyzed. The contact pressure between the copper column and the horizontal steering gear of the spherical amphibious robot is the largest, which is much smaller than the yield strength of the material for 5 Pa, and meets the requirements of stability. Finally, the land stability experiments of spherical amphibious robot are carried out, and the stability of spherical amphibious robot at different stride frequency and stride is verified, and the optimal swing angle of spherical amphibious robot is 30 擄when it is running on land. The optimal oscillation period is 0.2 s. Finally, the hydrodynamic analysis theory is briefly introduced, the simplified model of spherical amphibious robot is drawn, and the hydrodynamic analysis of water jet propeller is carried out. The spherical amphibious robot and its surrounding waters are meshed, and the corresponding constraints are imposed. The pressure cloud map and velocity vector diagram of the spherical amphibious robot under water are obtained by using ANSYS software, and the simulation results are analyzed. The stability of spherical amphibious robot is verified. When the spherical amphibious robot moves upward under water, the force on the top of the spherical shell is the largest, reaching 16 Ns, which is far less than the structural strength of the Yake-force material and meets the requirements of stability. Then the underwater stability experiment of spherical amphibious robot is carried out, and the experimental results are analyzed. When the input voltage of the spherical amphibious robot is 6V, the yawp angle of the spherical amphibious robot is minimum, about 10 擄. For the most stable state of motion. The stability experiment of spherical amphibious robot along the straight line is also carried out. When the spherical amphibious robot moves under water, the maximum displacement deviation is less than 0.1 m, which indicates that the spherical amphibious robot has the stability along the straight line. Finally, the trajectory tracking experiment of spherical amphibious robot is carried out to verify the tracking ability of spherical amphibious robot.
【學位授予單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

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本文編號：2302948