本文關(guān)鍵詞：爪刺式爬壁機器人仿生機理與系統(tǒng)研究

  更多相關(guān)文章： 爬壁機器人 昆蟲爪刺 仿生機理 仿生柔性爪刺足

【摘要】：三維空間無障礙運動(Three dimensional obstacle-free,TDOF)是未來機器人技術(shù)的主要發(fā)展方向之一,在災(zāi)難搜救、空間探測、危險環(huán)境作業(yè)、軍事偵察等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。實現(xiàn)在豎直壁面與頂面(天花板)上穩(wěn)定攀爬是機器人實現(xiàn)三維空間無障礙運動的關(guān)鍵技術(shù)之一。爬壁機器人通常采用真空吸盤、磁鐵和普通粘附材料作為粘附方式。然而,自然界和人類生活環(huán)境中大多數(shù)壁面是粗糙、多孔、多裂縫且布滿灰塵的(例如石頭、水泥、磚塊外墻面),這三種粘附方式均不適用。近年來,受到壁虎、甲蟲等可以在墻面上攀爬的動物的啟發(fā),以干粘附、濕粘附及爪刺抓附為代表的仿生粘附方式開始興起。目前,人造仿生干粘附和濕粘附材料只適用于潔凈、光滑的壁面,目前還不能適應(yīng)粗糙和多灰塵的壁面。爪刺在昆蟲中普遍存在,幾乎所有的昆蟲在粗糙壁面上攀爬時均有爪刺參與,或是作為主要的粘附方式,或是作為重要的輔助粘附方式。針對粗糙和多灰塵壁面,論文從仿生的角度出發(fā),開展了爪刺式爬壁機器人仿生機理與系統(tǒng)研究。 論文首先觀察和測試了昆蟲足部爪刺微觀結(jié)構(gòu)特征,并建立了爪刺-壁面接觸模型及爪刺協(xié)同作用模型來分析爪刺抓附功能特征機理。然后對昆蟲柔性足部結(jié)構(gòu)進行功能模仿,設(shè)計了仿生柔性爪刺足與仿生柔性爪刺對抓足結(jié)構(gòu)。最后基于仿生柔性爪刺足及仿生柔性爪刺對抓足結(jié)構(gòu),對爬壁機器人進行系統(tǒng)研究,并研制了三臺爬壁機器人原理樣機。最終實現(xiàn)了機器人在粗糙的豎直壁面與頂面上穩(wěn)定攀爬的功能,驗證了仿生柔性爪刺足設(shè)計的有效性,為三維空間無障礙運動機器人研究提供了關(guān)鍵技術(shù)與理論基礎(chǔ)。論文的主要研究成果與創(chuàng)新如下：(1)建立了爪刺-壁面接觸模型及爪刺協(xié)同作用模型,分析了各特征參數(shù)對其足 部抓附性能的影響,為仿生柔性爪刺足的設(shè)計提供理論依據(jù)。(2)受到昆蟲足部柔性跗節(jié)鏈結(jié)構(gòu)的啟發(fā),設(shè)計了仿生柔性爪刺足片,并首次提 出基于單一材料實現(xiàn)爪刺足片柔性功能的設(shè)計方法。相比斯坦福大學(xué)科研人員利用先進的SDM(形狀沉積制造)技術(shù)制備的剛?cè)峄旌先嵝宰Υ套闫?該仿生柔性爪刺足片設(shè)計對加工工藝的要求低,可以通過成熟的SLS(選擇性激光燒結(jié))3D打印技術(shù)制造,且可以實現(xiàn)整個仿生柔性爪刺足一體成型,足部的結(jié)構(gòu)更加緊湊,抓附性能更好。 (3)結(jié)合仿生柔性爪刺足與輪式機器人設(shè)計的優(yōu)點,設(shè)計了輪式爬壁機器人,并 建立了多爪刺-壁面接觸模型,優(yōu)化了機器人結(jié)構(gòu),提高了機器人爬壁性能。該輪式機器人結(jié)構(gòu)簡單,機動性好,可以實現(xiàn)在豎直粗糙壁面上快速攀爬及地面到豎直壁面間的過渡,爬行速度達10cm/s。 (4)基于仿生柔性爪刺足,設(shè)計了單電機驅(qū)動的輪足混合爬壁機器人。機器人采用切比雪夫連桿機構(gòu)對昆蟲足部運動過程進行模仿,其足端“D”字形運動軌跡使爪刺足的抓附性能更加穩(wěn)定、脫附更加容易,是首臺可以同時實現(xiàn)在堅硬粗糙壁面上與柔軟易變形壁面(例如窗簾、蚊帳)上攀爬的機器人。 (5)基于仿生柔性爪刺足,設(shè)計了仿生柔性爪刺對抓足,機器人足部的抓附性能得到了顯著提高,法向負載能力高達自重的十倍。基于仿生柔性爪刺對抓足設(shè)計的仿尺蠖兩足爬壁機器人首次實現(xiàn)了利用爪刺抓附方式在粗糙壁面上全方位攀爬及粗糙頂面上攀爬的功能,該機器人還具備壁面間過渡的能力。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP242

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王巍;王坤;李大寨;宗光華;;爬壁蠕蟲機器人構(gòu)型初探[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報;2009年02期

2 陳東良;張群;王立權(quán);左勇勝;;一種粗糙壁面爬行機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J];哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報;2012年02期

3 談士力,沈林勇,陳振華,龔振邦;垂直壁面行走機器人系統(tǒng)研制[J];機器人;1996年04期

4 GORB Stanislav;;Contact mechanics of pad of grasshopper (Insecta:ORTHOPTERA) by finite element methods[J];Chinese Science Bulletin;2009年04期

5 ;Role of locust Locusta migratoria manilensis claws and pads in attaching to substrates[J];Chinese Science Bulletin;2011年08期

6 ;A wet adhesion inspired biomimetic pad with direction dependence and adaptability[J];Chinese Science Bulletin;2011年18期

7 江勵;管貽生;蔡傳武;朱海飛;周雪峰;張憲民;;仿生攀爬機器人的步態(tài)分析[J];機械工程學(xué)報;2010年15期

8 俞志偉;李宏凱;張曉峰;張昊;戴振東;;仿壁虎腳趾結(jié)構(gòu)設(shè)計及粘附運動性能測試[J];機械工程學(xué)報;2011年21期

9 薛勝雄;任啟樂;陳正文;王永強;;磁隙式爬壁機器人的研制[J];機械工程學(xué)報;2011年21期

10 黎明和;何斌;秦海燕;周艷敏;陸漢雄;岳繼光;;具有黏附方向性及自適應(yīng)性的仿生濕吸足墊研究[J];科學(xué)通報;2011年07期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 顏欽;基于SMA的仿生柔性魚鰭三維運動機理與實驗研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

，

本文編號：1274318