本文關(guān)鍵詞：爪刺式爬壁機(jī)器人仿生機(jī)理與系統(tǒng)研究

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【摘要】：三維空間無障礙運(yùn)動(Three dimensional obstacle-free,TDOF)是未來機(jī)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(shí)現(xiàn)在豎直壁面與頂面(天花板)上穩(wěn)定攀爬是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)三維空間無障礙運(yùn)動的關(guān)鍵技術(shù)之一。爬壁機(jī)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(jī)器人仿生機(jī)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(jī)理。然后對昆蟲柔性足部結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)研究,并研制了三臺爬壁機(jī)器人原理樣機(jī)。最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在粗糙的豎直壁面與頂面上穩(wěn)定攀爬的功能,驗(yàn)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(yùn)動機(jī)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(shí)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(jìn)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(shí)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(jī)器人設(shè)計的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計了輪式爬壁機(jī)器人,并 建立了多爪刺-壁面接觸模型,優(yōu)化了機(jī)器人結(jié)構(gòu),提高了機(jī)器人爬壁性能。該輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單,機(jī)動性好,可以實(shí)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(dá)10cm/s。 (4)基于仿生柔性爪刺足,設(shè)計了單電機(jī)驅(qū)動的輪足混合爬壁機(jī)器人。機(jī)器人采用切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)對昆蟲足部運(yùn)動過程進(jìn)行模仿,其足端“D”字形運(yùn)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(shí)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(jī)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(jī)器人足部的抓附性能得到了顯著提高,法向負(fù)載能力高達(dá)自重的十倍�；诜律嵝宰Υ虒ψプ阍O(shè)計的仿尺蠖兩足爬壁機(jī)器人首次實(shí)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(jī)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(xiàn)】

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中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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本文編號：1274318