仿水黾机器人机构及性能分析研究

论文摘要

水黾可以在水面上停留并具有快速滑行和跳跃的活动机能。受水黾启发,人们对在水面这一非结构环境下能快速移动的仿水黾机器人的研究产生了浓厚兴趣。仿水黾机器人以其效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的优势将在军事侦察、环境监测、水体检测、地下管网检测等军事和民用等方面得到广泛应用。因此,开展仿水黾机器人的研究将具有重要的理论意义和实际应用价值。本文基于功能仿生原理,提出一种新型具有一定负载能力的仿水黾机器人新构型,从运动学和动力学建模与分析、水力学建模与分析、运动仿真分析和模态分析、刚-柔耦合驱动系统动力学建模与仿真、样机研制与控制系统设计以及实验等进行了系统的分析与研究,取得了一定创新性的研究成果。1.在研究仿生原型水黾结构及运动特性基础上,提出一种三自由度输入并联解耦划水驱动仿水黾机器人新构型,建立驱动机构运动学与动力学模型、划水运动平衡性条件及机构参数综合条件,为机器人样机设计制作提供理论基础。该机器人以三个电磁铁作为驱动通过解耦控制两驱动腿实现划水运动控制,两驱动腿以差动方式实现零半径转弯运动,与电机方案相比,该机器人以电磁铁二元逻辑控制替代电机复杂伺服驱动,其具有驱动数量少、结构简单、易微小型化、机动性好、转弯灵活、划水效率高、控制简单等特点。2.考虑仿水黾机器人仿生原形特点,提出仿水黾机器人结构设计原则,建立机器人虚拟样机仿真模型,进行驱动机构运动学仿真分析和各旋转副受力情况及机构运动能量曲线分析,验证机构设计合理性,指出结构设计的薄弱环节,为物理样机结构设计和改进提供理论依据。3.考虑仿水黾机器人划水频率与共振问题,研究机器人的仿真模态特性,重点分析机器人划水腿、驱动机构、整机的固有频率及相对位移云图和相对应力云图,分析虚拟样机结构设计中的薄弱环节,指出机器人运动应避开的工作频率,为机器人的结构改进设计和控制提供理论依据。4.考虑仿水黾机器人在水面环境工作这一特征,研究水对机器人运动的作用规律,建立仿水黾机器人漂浮平衡稳定性条件、机器人划水腿流场表达式、驱动机构水动力学表达式和机器人划水运动的水动力学表达式,为机器人结构设计和实际控制提供理论依据。5.考虑仿水黾机器人驱动系统中轻型薄壁材料构件引起的小幅度柔性变形问题,本文提出将机器人驱动系统视为为刚-柔耦合多体机器人驱动系统的处理方法,建立考虑水接触力约束函数的机器人刚-柔耦合驱动系统动力学模型并进行仿真分析研究,结果表明划水腿小幅度柔性变形将影响机器人划水板的划水轨迹,该研究成果将为机器人今后实现高速运动控制和精确运行轨迹路线奠定理论基础。6.在上述理论研究基础上,研制仿水黾机器人样机,在实验室环境下对仿水黾机器人进行水面前进、转弯、负重实验,实验结果验证了本文提出的仿水黾机器人三自由度输入并联解耦划水驱动机构的有效性和本文理论分析的正确性,该机器人具有良好的速度响应特性、运动灵活性,划水效率高、控制简单方便。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 引言
• §1-2 国内外仿水黾微小型机器人研究现状
• 1-2-1 仿生原形水黾研究现状
• 1-2-2 仿水黾机器人研究现状
• §1-3 仿水黾机器人驱动系统及其相关研究
• 1-3-1 仿水黾机器人驱动器
• 1-3-2 仿水黾机器人驱动机构
• 1-3-3 刚-柔耦合驱动系统动力学建模理论
• §1-4 仿水黾机器人研究的意义和亟待解决的问题
• 1-4-1 仿水黾机器人研究意义
• 1-4-2 仿水黾机器人亟待解决的问题
• §1-5 本论文主要研究工作
• 第二章 仿水黾机器人驱动系统建模与机构综合
• §2-1 引言
• §2-2 仿生原型水黾结构及运动特性分析
• 2-2-1 仿生原型水黾结构
• 2-2-2 仿生原型水黾运动方式
• §2-3 仿水黾机器人驱动机构方案
• §2-4 机器人单腿驱动机构运动学建模
• 2-4-1 单腿驱动机构末端位置建模
• 2-4-2 单腿驱动机构末端速度建模
• 2-4-3 单腿驱动机构末端加速度建模
• 2-4-4 单腿驱动机构运动学逆解分析
• 2-4-5 机器人驱动机构划水运动平衡性分析
• 2-4-6 单腿驱动机构运动极限位置和奇异位形分析
• §2-5 机器人单腿驱动机构动力学建模与分析
• 2-5-1 机器人单腿驱动机构受力分析
• 2-5-2 单腿驱动机构动力学模型的建立
• §2-6 单腿驱动机构参数综合研究
• 2-6-1 单腿驱动机构参数综合条件
• 2-6-2 单腿驱动机构参数综合
• §2-7 本章小结
• 第三章 仿水黾机器人虚拟样机构建及仿真分析
• §3-1 引言
• §3-2 仿水黾机器人虚拟样机建模
• 3-2-1 仿水黾机器人整机结构设计方案
• 3-2-2 仿水黾机器人虚拟样机建模
• §3-3 仿水黾机器人运动仿真及参数分析
• 3-3-1 仿水黾机器人仿真建模
• 3-3-2 仿水黾机器人单腿运动学仿真及参数分析
• 3-3-3 仿水黾机器人整机运动学仿真及参数分析
• §3-4 仿水黾机器人受力仿真分析
• 3-4-1 划水腿A点旋转副受力分析
• 3-4-2 划水腿Ｃ点旋转副受力分析
• 3-4-3 连杆B点旋转副受力分析
• 3-4-4 电磁铁滑移副受力分析
• 3-4-5 划水腿能量分析
• §3-5 本章小结
• 第四章 仿水黾机器人水力学建模与分析
• §4-1 引言
• §4-2 机器人划水板流体静力学分析
• 4-2-1 机器人划水板静水总压力
• 4-2-2 划水板静水总压力作用点
• §4-3 机器人水面漂浮平衡和稳定性分析
• 4-3-1 机器人整机漂浮平衡性分析
• 4-3-2 机器人整机漂浮稳定性分析
• §4-4 划水腿流场模型
• 4-4-1 流场函数
• 4-4-2 划水腿的流场模型建立
• §4-5 机器人水动力学方程
• 4-5-1 机器人驱动机构水动力学方程
• 4-5-2 机器人划水动力学方程
• 4-5-3 机器人划水频率与机器人速度关系
• §4-6 本章小结
• 第五章 仿水黾机器人模态分析
• §5-1 引言
• §5-2 模态分析基础理论
• §5-3 仿水黾机器人划水腿模态分析
• 5-3-1 划水腿三维有限元模型建立
• 5-3-2 划水腿三维有限元模型的运行计算
• 5-3-3 划水腿三维有限元模型运行结果及后处理过程
• §5-4 仿水黾机器人驱动系统与整机模态分析
• 5-4-1 仿水黾机器人模态的提取方法
• 5-4-2 仿水黾机器人模态分析步骤
• 5-4-3 仿水黾机器人模态计算结果分析
• 5-4-4 机器人薄弱环节分析与结构设计改进意见
• §5-5 本章小结
• 第六章 仿水黾机器人刚-柔耦合驱动系统动力学建模
• §6-1 引言
• §6-2 划水腿刚-柔耦合动力学建模方法描述
• 6-2-1 划水腿柔性变形描述方法研究
• 6-2-2 划水腿刚-柔耦合动力学建模方法研究
• 6-2-3 划水腿刚-柔耦合动力学建模方法确定
• §6-3 划水腿刚-柔耦合动力学模建立
• 6-3-1 划水腿动力学简化模型建立
• 6-3-2 划水腿柔性变形数学模型建立
• 6-3-3 划水腿刚-柔耦合动力学数学模型建立
• §6-4 柔性划水腿刚-柔耦合动力学模型数值仿真
• §6-5 划水板弯曲变形计算
• §6-6 本章小结
• 第七章 仿水黾机器人实验研究
• §7-1 引言
• §7-2 仿生水黾机器人样机研制
• 7-2-1 仿水黾机器人样机材料选取
• 7-2-2 仿水黾机器人驱动元件的选择
• 7-2-3 仿水黾机器人样机制作
• §7-3 仿水黾机器人控制系统设计
• 7-3-1 仿水黾机器人控制系统硬件平台设计
• 7-3-2 仿水黾机器人控制系统软件设计
• §7-4 实验与结果分析
• 7-4-1 机器人静态负载能力实验
• 7-4-2 机器人划行运动实验
• §7-5 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果