【摘要】：近年來,為尋找沙漠資源以及月球表面資源,人們開始仿照沙漠生物的行走原理,設(shè)計出各類足式仿生機器人對沙漠進行探測。其中,由于C形腿仿生機器人在沙基中的運行類似于蜥蜴行走,具有良好的通過性能,成為人們研究的熱點。本文在已有六足仿生C形腿機器人環(huán)形實驗平臺基礎(chǔ)上,對其進行修改完善,保證其能夠在松軟沙粒上自由行走,分析C形腿與沙作用時,輪緣應(yīng)力分布規(guī)律和C形腿運動規(guī)律,驗證該機器人在松軟地面上的通過性能。首先,對C形腿環(huán)形實驗平臺進行修改完善,使其能夠在松軟沙粒上完成行走,并完成輪緣應(yīng)力數(shù)據(jù)和滑轉(zhuǎn)率數(shù)據(jù)的采集;通過對輪緣應(yīng)力數(shù)據(jù)處理與分析,研究C形腿輪緣各位置點應(yīng)力變化情況,和C形腿以不同速度運行時,輪緣應(yīng)力分布規(guī)律。其次,對機器人的C形腿輪進行受力分析,建立力學(xué)平衡關(guān)系式;根據(jù)輪緣應(yīng)力分布特性,利用積分模型計算C形腿在運行時所受掛鉤牽引力與地面支持力的變化規(guī)律,建立C形腿的動力學(xué)模型;研究C形腿輪在松軟沙基中的運動特性,并對機器人運行時的滑轉(zhuǎn)率進行計算,研究其在松軟地面上的通過性能。最后,對三維力傳感器所測數(shù)據(jù)進行處理分析,研究由三維力傳感器測得的掛鉤牽引力與地面支持力的分布特性,并計算其與積分模型得到的掛鉤牽引力與地面支持力之間的誤差,驗證數(shù)據(jù)處理方法與積分模型的正確性。同時分析由動力學(xué)模型推算的機器人運行滑轉(zhuǎn)率與實測滑轉(zhuǎn)率之間的誤差,驗證動力學(xué)模型的正確性。
【學(xué)位授予單位】：寧夏大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

狀的腿輪機器人在松軟顆粒介質(zhì)上的通過性能最好。２０１４年，馬薩諸塞理工學(xué)院驗室的Ｃ．邋Ｓｅｎａｔｏｒｅ和Ｋ．邋Ｉａｇｎｅｍｍａ利用安裝在位于輪－壤界面處的定制力傳感器，壤接觸界面處的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力［１８］。描述了在無粘性土壤上操作小型剛性輪，力分布進行詳細(xì)分析。同時，利用粒子圖像測速（ＰＩＶ）分析研宄車輪在松軟土。德國的Ｌ．邋Ｒｉｃｈｔｅｒ等人提出了一個有效的輪－壤相互作用模型，輪子直徑在２００￣５０垂直準(zhǔn)靜態(tài)車輪載荷為１００￣２００Ｎ，并應(yīng)用該車輪大小和車輪負(fù)荷于當(dāng)前的行星探對于未來火星探測車與運動有關(guān)的移動特性分析是必不可少的。他們對此設(shè)計了一提出行星探測車輪－土相互作用預(yù)測模型，以及對火星探測車流動粘性數(shù)據(jù)進行０１７年，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)的ＭａｓａｔａｋｕＳｕｔｏｈ對月球車行駛性能采用數(shù)值行分析，首先確定輪地接觸模型和土壤參數(shù)，以便將它們用于數(shù)值模擬；其次引，并通過壓板和剪切測試識別土壤參數(shù)；最后，使用所識別的參數(shù)進行數(shù)值模擬［Ｍ京都大學(xué)Ｋｅｎｔａ邋Ｎｉｓｈｉｙａｍａ和Ｈｉｒｏｓｈｉ邋Ｎａｋａｓｈｉｍａ等研究了在干砂上驅(qū)動輪胎接觸界向和切向應(yīng)力，模型結(jié)合具有比例－積分－微分（ＰＩＤ，ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｉｎｔｅｇｒａｌ－ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ有限－離散元方法（ＦＥ－ＤＥＭ，Ｆｉｎｉｔｅ邋Ｅｌｅｍｅｎｔ－Ｄｉｓｃｒｅｔｅ邋Ｅｌｅｍｅｎｔ邋Ｍｅｔｈｏｄ）邋［２１］，如圖邋１一種簡單接觸的反應(yīng)平法，即將輪子圓周下半部分定義為計算段，該輪廓周期不；然后逐段計算接觸應(yīng)力；最后，應(yīng)用法向和切向接觸應(yīng)力對旋轉(zhuǎn)角度進行積分，經(jīng)驗參數(shù)）分析計算輪子的垂直接觸載荷、總牽引力、凈牽引力和行駛阻力等。逡逑

隨著我國空間探測技術(shù)突飛猛進地發(fā)展，國家對于月球探索活動越來越頻繁，而逡逑每一次能夠成功收集月球表面的未知信息都離不開月球探測車。所以，研究如何能夠讓探測車更逡逑好地適應(yīng)月球環(huán)境顯得至關(guān)重要。月球探測車大多是以輪式為主，如圖１－３所示，但由于月球表逡逑面地質(zhì)都是松軟的狀態(tài)，當(dāng)月球探測車在行進過程中輪子極容易被？‘陷”下去，這將很大程度影響逡逑探月任務(wù)的完成。為保證月球探測車在月球表面能夠安全平穩(wěn)的運行，國內(nèi)學(xué)者對機器人在松軟逡逑地面上的通過性、穩(wěn)定性和安全性等進行了一系列研宄，分析各式各樣足式機器人的控制方式，逡逑構(gòu)建機器人在松軟沙基上行走時的動力學(xué)模型，以及輪足承壓能力，以便更好地利用機器人的各逡逑－４－逡逑

２．１．１邐Ｃ形輪腿的設(shè)計原理逡逑首先，通過觀察發(fā)現(xiàn)，六足類昆蟲（如蟑螂等等）在運動過程中，它們腿部一般處于兩種情逡逑況，一種支撐，一種空擺，通過腿之間相互交替轉(zhuǎn)變，來實現(xiàn)其各種運動形式。圖２－１是以人們逡逑常見的甲殼蟲運動為例，展示了其腿部如何交替實現(xiàn)整個運動過程。即把甲殼蟲的六腳分為兩組，逡逑１，邋４，邋５腳作為一組，２，邋３，邋６腳作為另一組。當(dāng)１，邋４，邋５支撐身體前行時（腿后蹬），為支撐前逡逑行態(tài)，２，邋３，邋６腳離開地面前伸，為向前擺動態(tài)，為下一步做準(zhǔn)備；同理當(dāng)２，邋３，邋６支撐身體前逡逑行時（腿后蹬），為支撐前行態(tài)，１，４，邋５腳離開地而前伸，為向前擺動態(tài)，為下一步做準(zhǔn)備，如逡逑此交替往復(fù)完成運動。逡逑音丨Ｓ３邋ＳＰ逡逑圖２－１甲殼蟲運動示例（Ｃ表示“空擺腿■表示“支撐腿”）逡逑從圖２－１明顯看出，在運動過程中每一組腳形成一個三角狀結(jié)構(gòu)，生物學(xué)研宄中稱為“三足步逡逑態(tài)”結(jié)構(gòu)，其具有極強的穩(wěn)定性，這也就是為什么該類生物在類似沙漠的松軟地面上可輕松自如逡逑地穿越，而不受限制的關(guān)鍵原因。再者，我們還關(guān)注了蜥蜴在沙漠中奔跑運動，它們并非以恒定逡逑速率前進

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本文編號：2758085