【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(jì)出各類足式仿生機(jī)器人對(duì)沙漠進(jìn)行探測(cè)。其中,由于C形腿仿生機(jī)器人在沙基中的運(yùn)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(diǎn)。本文在已有六足仿生C形腿機(jī)器人環(huán)形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)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(shí),輪緣應(yīng)力分布規(guī)律和C形腿運(yùn)動(dòng)規(guī)律,驗(yàn)證該機(jī)器人在松軟地面上的通過性能。首先,對(duì)C形腿環(huán)形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)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(duì)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(diǎn)應(yīng)力變化情況,和C形腿以不同速度運(yùn)行時(shí),輪緣應(yīng)力分布規(guī)律。其次,對(duì)機(jī)器人的C形腿輪進(jìn)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(jì)算C形腿在運(yùn)行時(shí)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(dòng)力學(xué)模型;研究C形腿輪在松軟沙基中的運(yùn)動(dòng)特性,并對(duì)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行計(jì)算,研究其在松軟地面上的通過性能。最后,對(duì)三維力傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,研究由三維力傳感器測(cè)得的掛鉤牽引力與地面支持力的分布特性,并計(jì)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(yàn)證數(shù)據(jù)處理方法與積分模型的正確性。同時(shí)分析由動(dòng)力學(xué)模型推算的機(jī)器人運(yùn)行滑轉(zhuǎn)率與實(shí)測(cè)滑轉(zhuǎn)率之間的誤差,驗(yàn)證動(dòng)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242
【圖文】：

狀的腿輪機(jī)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(yàn)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(jìn)行詳細(xì)分析。同時(shí)，利用粒子圖像測(cè)速（ＰＩＶ）分析研宄車輪在松軟土。德國(guó)的Ｌ．邋Ｒｉｃｈｔｅｒ等人提出了一個(gè)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(duì)于未來火星探測(cè)車與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的移動(dòng)特性分析是必不可少的。他們對(duì)此設(shè)計(jì)了一提出行星探測(cè)車輪－土相互作用預(yù)測(cè)模型，以及對(duì)火星探測(cè)車流動(dòng)粘性數(shù)據(jù)進(jìn)行０１７年，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的ＭａｓａｔａｋｕＳｕｔｏｈ對(duì)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(cè)試識(shí)別土壤參數(shù)；最后，使用所識(shí)別的參數(shù)進(jìn)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(dòng)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(jiǎn)單接觸的反應(yīng)平法，即將輪子圓周下半部分定義為計(jì)算段，該輪廓周期不；然后逐段計(jì)算接觸應(yīng)力；最后，應(yīng)用法向和切向接觸應(yīng)力對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行積分，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)）分析計(jì)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(guó)空間探測(cè)技術(shù)突飛猛進(jìn)地發(fā)展，國(guó)家對(duì)于月球探索活動(dòng)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(cè)車。所以，研究如何能夠讓探測(cè)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(cè)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(cè)車在行進(jìn)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(cè)車在月球表面能夠安全平穩(wěn)的運(yùn)行，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)機(jī)器人在松軟逡逑地面上的通過性、穩(wěn)定性和安全性等進(jìn)行了一系列研宄，分析各式各樣足式機(jī)器人的控制方式，逡逑構(gòu)建機(jī)器人在松軟沙基上行走時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型，以及輪足承壓能力，以便更好地利用機(jī)器人的各逡逑－４－逡逑

２．１．１邐Ｃ形輪腿的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)其各種運(yùn)動(dòng)形式。圖２－１是以人們逡逑常見的甲殼蟲運(yùn)動(dòng)為例，展示了其腿部如何交替實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)動(dòng)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(shí)（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(dòng)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(shí)（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(dòng)態(tài)，為下一步做準(zhǔn)備，如逡逑此交替往復(fù)完成運(yùn)動(dòng)。逡逑音丨Ｓ３邋ＳＰ逡逑圖２－１甲殼蟲運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過程中每一組腳形成一個(gè)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)，它們并非以恒定逡逑速率前進(jìn)

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本文編號(hào)：2758085