足式機(jī)器人受到非結(jié)構(gòu)化地面的沖擊振動(dòng)時(shí),其運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)等機(jī)身重要零部件在控制等功能上會(huì)受到較大影響,提高足式機(jī)器人的足部的減振緩沖性能已成為精確控制和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵所在。本文基于生物在多變環(huán)境下具備自適應(yīng)緩沖減振能力的事實(shí),以山羊蹄匣為仿生原型,對其結(jié)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行減振緩沖機(jī)理研究,基于減振單元的緩沖減振機(jī)理,進(jìn)行足式機(jī)器人的減振緩沖足設(shè)計(jì),為足式機(jī)器人的緩沖減振技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用提供理論與技術(shù)支持。采用生物學(xué)研究方法,對羊蹄進(jìn)行解剖,在宏觀與微觀兩個(gè)層次上觀測蹄匣的結(jié)構(gòu)特性,結(jié)合蹄匣的外界載荷受力,分析蹄匣的緩沖與減振機(jī)理。由宏觀觀察結(jié)果可知,蹄匣的底部由凸起的硬質(zhì)指甲與凹陷的軟質(zhì)趾枕組成,根部是凸起的硬質(zhì)趾枕。由微觀觀測結(jié)果可知,蹄匣由兩層組織層構(gòu)成,內(nèi)層是具備傾斜孔的組織層。通過蹄匣的觸地面積與山羊質(zhì)量的測量與計(jì)算,得知蹄匣的受到的硬質(zhì)地面與軟質(zhì)地面的載荷壓強(qiáng)分別約為1.34MPa和0.24MPa。根據(jù)動(dòng)量定律可知,在相同作用力下,相對其他層,斜孔層的形變量大,因此延長了沖擊作用接觸時(shí)間,降低了沖擊作用力,提高了緩沖性能。根據(jù)單自由度振動(dòng)理論可知,相對其他層,斜孔層的剛度小,減小了固有頻率,擴(kuò)大了減振區(qū)域,提高了減振效果�；谏窖蛱阆坏慕Y(jié)構(gòu)特征,建立了仿生減振單元模型,根據(jù)模型進(jìn)行了單元模型的設(shè)計(jì)與制造。選取山羊蹄匣的仿生參數(shù),進(jìn)行模型的尺寸設(shè)計(jì)與三維建模。為完成減振單元的實(shí)物制造,根據(jù)蹄匣的生物材料特性,選擇硅膠RTV-2作為減振單元的等效制造材料,選擇采用澆注成型的加工方式。根據(jù)澆注成型的加工要求,進(jìn)行了澆注模具的設(shè)計(jì),并采用3D打印的方式完成澆注模具的實(shí)物制造。按照硅膠材料澆注的要求,完成減振單元的實(shí)物制造,為振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)與壓縮實(shí)驗(yàn)提供測試樣件。為研究山羊蹄匣的減振機(jī)理,對減振單元進(jìn)行振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)與壓縮實(shí)驗(yàn),通過對比普通減振單元與仿生減振單元的振動(dòng)測試結(jié)果與壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析山羊蹄匣的減振機(jī)理。以減振單元在振動(dòng)傳遞前后的最大振幅之比為指標(biāo),設(shè)計(jì)5-100Hz內(nèi)振動(dòng)傳遞率的振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)方案。根據(jù)方案要求,進(jìn)行減振單元夾具的設(shè)計(jì)、建模與加工制造,完成減振單元的振動(dòng)測試平臺的組裝與振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建。通過振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,仿生減振單元的固有頻率小于普通減振單元;減振單元的載荷受力越大,固有頻率越小;振源振幅對減振單元的固有頻率無影響;振源振幅越大,峰值傳遞率越大。通過減振單元的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,仿生減振單元的壓縮剛度小于普通減振單元,并且傾斜度越小,壓縮剛度越小。根據(jù)山羊蹄匣的宏觀與微觀的結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)行了仿生緩沖減振緩沖足的設(shè)計(jì)。在山羊蹄匣內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)型的基礎(chǔ)上,完成了減振緩沖墊的設(shè)計(jì)與建模。在山羊蹄匣底面的宏觀結(jié)構(gòu)構(gòu)型的基礎(chǔ)上,完成足底的設(shè)計(jì)與建模。根據(jù)設(shè)計(jì)的減振緩沖墊與足底,完成減振緩沖足的整體設(shè)計(jì)與裝配,為減振緩沖足的觸地沖擊仿真分析與減振仿真分析奠定基礎(chǔ)。為檢驗(yàn)減振緩沖足的緩沖與減振性能,完成了觸地沖擊仿真分析與振動(dòng)特性仿真分析,通過瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果,表明減振緩沖足的緩沖與減振性能。由瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算可知,在一次沖擊過程之后,相對于普通減振緩沖足,仿生減振緩沖足的剩余動(dòng)能小,并隨著角度的減小,剩余動(dòng)能變得更小,仿生減振緩沖足的摩擦耗能大于普通減振緩沖足,并隨著傾斜度的降低,摩擦耗能消耗的能量更多。仿生減振緩沖足受到的沖擊力小于普通減振緩沖足,并隨著傾斜角的減小而降低,其作用時(shí)間隨著傾斜角的降低而延長,表明斜孔特征提高了緩沖效果。根據(jù)模態(tài)分析計(jì)算可知,仿生減振緩沖足的前三階固有頻率小于普通減振緩沖足,并隨著傾斜度的減小,固有頻率值逐漸降低。由穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算可知,相對于普通減振緩沖足,仿生減振緩沖足的位移響應(yīng)大,并隨著傾斜角的減小,位移響應(yīng)增大,動(dòng)柔度增大,動(dòng)柔度越大,越利于振動(dòng)的隔離與控制。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TP242;Q811
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 足式機(jī)器人的抗沖擊研究現(xiàn)狀
        1.2.1 機(jī)器人足關(guān)節(jié)的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 機(jī)器人足底的研究現(xiàn)狀
    1.3 足式機(jī)器人的減振研究現(xiàn)狀
        1.3.1 主動(dòng)減振研究現(xiàn)狀
        1.3.2 被動(dòng)減振研究現(xiàn)狀
    1.4 仿生學(xué)在減振抗沖中的研究與應(yīng)用
    1.5 本文主要研究內(nèi)容
第2章 山羊蹄匣生物學(xué)特性研究及其緩沖減振機(jī)理分析
    2.1 山羊蹄匣的結(jié)構(gòu)特性研究
        2.1.1 蹄匣宏觀結(jié)構(gòu)觀察
        2.1.2 蹄匣微觀結(jié)構(gòu)觀察
    2.2 山羊蹄匣的靜載荷計(jì)算
        2.2.1 蹄匣觸地面積測量
        2.2.2 山羊質(zhì)量測量
        2.2.3 測量結(jié)果與計(jì)算
    2.3 羊蹄蹄匣的緩沖減振機(jī)理分析
        2.3.1 緩沖機(jī)理分析
        2.3.2 減振機(jī)理分析
    2.4 本章小結(jié)
第3章 基于蹄匣微觀結(jié)構(gòu)的減振單元設(shè)計(jì)及加工制造
    3.1 減振單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
        3.1.1 減振單元的仿生參數(shù)選擇
        3.1.2 減振單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)
        3.1.3 減振單元的三維模型建立
    3.2 減振單元的制造方式選擇
    3.3 模具設(shè)計(jì)與制造
        3.3.1 模具蓋板與中框的尺寸設(shè)計(jì)
        3.3.2 模具底座的尺寸設(shè)計(jì)
        3.3.3 模具的三維建模
        3.3.4 模具的 3D打印制造
    3.4 減振單元的澆注制造
    3.5 本章小結(jié)
第4章 減振單元的振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)與壓縮實(shí)驗(yàn)
    4.1 引言
    4.2 減振單元的振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)
        4.2.1 振動(dòng)測試系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
        4.2.2 振動(dòng)測試平臺的設(shè)計(jì)與制造
        4.2.3 振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)過程
        4.2.4 振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    4.3 減振單元的壓縮實(shí)驗(yàn)
        4.3.1 壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過程
        4.3.2 壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果
        4.3.3 壓縮實(shí)驗(yàn)分析
    4.4 本章小結(jié)
第5章 基于山羊蹄匣的減振緩沖足設(shè)計(jì)
    5.1 引言
    5.2 減振緩沖墊設(shè)計(jì)
        5.2.1 蹄匣微觀結(jié)構(gòu)的緩沖分析
        5.2.2 減振緩沖墊的設(shè)計(jì)建模
    5.3 足底設(shè)計(jì)
        5.3.1 蹄匣底部特點(diǎn)與功能
        5.3.2 足底設(shè)計(jì)的方法
        5.3.3 足底設(shè)計(jì)建模
    5.4 減振緩沖足整體設(shè)計(jì)與裝配
    5.5 本章小結(jié)
第6章 減振緩沖足的有限元仿真分析
    6.1 引言
    6.2 有限元分析及Abaqus平臺簡介
        6.2.1 有限元分析原理
        6.2.2 Abaqus有限元功能簡介
        6.2.3 Abaqus有限元計(jì)算過程
    6.3 減振緩沖足緩沖分析
        6.3.1 有限元模型的建立
        6.3.2 前處理
        6.3.3 運(yùn)行與后處理
        6.3.4 沖擊仿真的結(jié)果與分析
    6.4 減振緩沖足振動(dòng)響應(yīng)分析
        6.4.1 有限元模型建立
        6.4.2 前處理
        6.4.3 運(yùn)行與后處理
        6.4.4 仿真計(jì)算結(jié)果
    6.5 本章小結(jié)
第7章 全文總結(jié)與工作展望
    7.1 全文總結(jié)
    7.2 工作展望
參考文獻(xiàn)
導(dǎo)師及作者簡介
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2857828