【摘要】：跳躍運(yùn)動(dòng)與滑翔運(yùn)動(dòng)能夠有效擴(kuò)大微小型水面機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間,賦予其更高的機(jī)動(dòng)性與靈活性。機(jī)器人水面跳躍與滑翔是一個(gè)涉及材料、結(jié)構(gòu)布局、彈跳機(jī)構(gòu)、支撐系統(tǒng)以及機(jī)器人-水界面流體力學(xué)作用等多方面的復(fù)雜系統(tǒng)。受限于機(jī)器人-水界面流體力學(xué)的復(fù)雜性以及有關(guān)理論的缺乏,相關(guān)機(jī)器人的研究仍處于初級(jí)階段。為此,本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金“仿水黽水面滑跳復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)器人及其水動(dòng)力學(xué)研究”,針對(duì)微小型水面跳躍滑翔機(jī)器人展開研究。首先,基于流體力學(xué)理論,開展機(jī)器人水面跳躍過程力學(xué)分析。以六桿機(jī)構(gòu)作為彈跳機(jī)構(gòu),分析不同彈簧類型及其組合形式下彈跳機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性;研究不同支撐腿形狀與結(jié)構(gòu)參數(shù)下的腿-水相互作用力學(xué)模型,開展機(jī)器人陸地跳躍與水面跳躍過程分析。以機(jī)器人儲(chǔ)存的能量及效率為優(yōu)化目標(biāo),分析六連桿彈跳機(jī)構(gòu)的幾何尺寸參數(shù)、彈簧彈性系數(shù)、彈簧類型、六連桿儲(chǔ)能壓縮量等因素對(duì)機(jī)器人跳躍性能的影響。為后續(xù)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化計(jì)算提供理論基礎(chǔ)。其次,基于空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí),對(duì)機(jī)器人跳躍滑翔運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析。根據(jù)機(jī)器人滑翔運(yùn)動(dòng)的限制條件,給出機(jī)器人跳躍的最小有效高度計(jì)算公式,從而確定機(jī)器人所輸入的最小能量值。分析滑翔翼形狀和滑翔運(yùn)動(dòng)攻角對(duì)機(jī)器人滑翔運(yùn)動(dòng)效果的影響,并以機(jī)器人的滑翔距離最大為目標(biāo),優(yōu)化分析滑翔翼的展弦比、面積以及機(jī)器人的起跳角度。為后續(xù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研制提供依據(jù)。再次,開展水面跳躍滑翔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用彈簧作為儲(chǔ)能元件,不完全齒輪與六桿機(jī)構(gòu)作為儲(chǔ)能與釋放機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)了跳躍滑翔機(jī)器人原型。為進(jìn)行機(jī)器人水面跳躍滑翔動(dòng)力學(xué)仿真,建立了Adams動(dòng)力學(xué)仿真模型,分析機(jī)器人不同起跳角度、彈簧類型對(duì)機(jī)器人跳躍性能的影響,優(yōu)化了機(jī)器人結(jié)構(gòu)。最后,采用高精度3D打印技術(shù),制作跳躍滑翔機(jī)器人,并開展樣機(jī)不同參數(shù)、環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。分析了儲(chǔ)能彈簧、起跳角度以及不同滑翔翼對(duì)于陸地跳躍及滑翔運(yùn)動(dòng)性能的影響;開展了機(jī)器人的水面跳躍運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),結(jié)合機(jī)器人跳躍時(shí)與水面作用沖擊特點(diǎn),優(yōu)化彈跳機(jī)構(gòu)以及儲(chǔ)能元件參數(shù),提高了機(jī)器人水面跳躍性能。
【圖文】：

如圖1-1(左)所示，此機(jī)器人質(zhì)量為 7g，高度尺寸為 5cm，它能夠跳躍比其自身高 27 倍的障礙物，其采用四連桿機(jī)構(gòu)作為彈跳腿，，扭簧作為彈性元件，使用一個(gè)特殊形狀的凸輪實(shí)現(xiàn)扭簧蓄能和釋放，此外該機(jī)器人可以調(diào)節(jié)扭簧位置，從而控制機(jī)器人的

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文高度和距離。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者又添加了球形支撐骨架[21]，如圖 1-1(右可以使得機(jī)器人能主動(dòng)修復(fù)自身姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)性跳躍運(yùn)動(dòng)。圖 1-1 四連桿微小型跳躍機(jī)器人Umberto Scarfogliero 等人模仿蝗蟲和青蛙的跳躍過程，設(shè)計(jì)了一款微小器人 Grillo[22]，如圖 1-2 所示，此機(jī)器人尺寸為 50mm，質(zhì)量為 15g，安為 0.2W 的直流電機(jī)，并采用特殊形狀的凸輪實(shí)現(xiàn)扭簧的儲(chǔ)能和釋放，使能以 1.5m/s 的速度向前跳躍。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2678161