基于SMA驱动的仿生多腔吸盘及爬壁机构的研究

论文摘要

目前的爬壁机器人的附壁都是采用有源负压吸附方式,要产生足够的负压,就需要利用气缸或外接电源的方法来提供能量,这就增大了机器人的体积。而模仿生物的附壁机理,采用当前发展迅猛的仿生智能材料形状记忆合金设计的多腔体智能吸附机构结构,为爬壁机器人的壁面吸附机构设计,提供一种新型机构设计方法,从而极大推进爬壁机器人的实用化和智能化。本文首先基于形状记忆合金(SMA)驱动器的性质,设计与开发了多种不同类型的仿生多腔吸盘,这些吸盘由形状记忆合金做驱动,实现了吸盘的无源吸附,减轻了吸盘的整体质量和体积;吸盘的多腔结构保证了吸盘在壁面存在缝隙或小孔等情况下,可以在局部腔体因漏气实效的情况下仍然保证吸盘整体的吸附能力。其次,对吸盘进行了力学与热力学模型的建立,结合ANSYS仿真,对其进行了力学分析,通过制作单程形状记忆合金弹簧驱动的仿生多腔吸盘,并对其进行实验验证,与仿真结果相比较,证明了该吸盘机构的可行性。再次,模仿昆虫的六足结构,设计了六足爬壁机器人的整体构架,并对其传动机构进行了详细的设计与分析。通过Matlab仿真结合Pro/e三维设计的方法,设计出了一种可以利用一个电机就可以实现垂直双向近似直线轨迹的爬壁机构,该机构可以实现相互垂直的两个方向的爬行——竖直方向和水平方向,这为爬壁机器人的转向提供了一种新的方法。最后,加工制作了该双向近似直线轨迹导引机构后,对该爬壁机构进行了调试和实验,并于ADAMS仿真结果进行了对比分析,证明了该爬壁机构的可行性与稳定性,为爬壁机器人的进一步研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景
• 1.3 国内外技术
• 1.3.1 仿生吸盘简介
• 1.3.1.1 仿生吸盘原理
• 1.3.1.2 SMA驱动器简介
• 1.3.2 爬壁机构简介
• 1.3.3 爬壁机器人简介
• 1.4 本课题的主要研究内容及创新点
• 1.5 本章小结
• 第二章 基于SMA驱动的微小仿生吸盘结构设计与分析
• 2.1 引言
• 2.2 基于SMA驱动的微小仿生吸盘结构设计
• 2.3 双程形状记忆合金弹簧驱动的仿生多腔吸盘结构
• 2.3.1 吸盘结构设计与原理
• 2.3.2 吸盘吸附力理论计算
• 2.3.3 吸盘吸附力理论估计值分析
• 2.3.4 吸盘试验与分析
• 2.4 单程形状记忆合金弹簧驱动的仿生多腔吸盘结构
• 2.4.1 吸盘结构设计
• 2.4.2 吸盘吸附模型的建立与分析
• 2.4.3 吸盘负压产生过程的有限元分析
• 2.5 嵌入式形状记忆合金丝驱动的多腔吸盘结构
• 2.5.1 嵌入式SMA丝吸盘结构设计
• 2.5.2 嵌入式SMA丝吸盘结构分析
• 2.6 其它吸盘结构简介
• 2.6.1 单SMA弹簧驱动多腔负压吸盘结构分析
• 2.6.2 多SMA弹簧控制多腔负压吸盘结构分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 六足爬壁机器人整体规划
• 3.1 引言
• 3.2 六足爬壁机器人系统设计
• 3.3 六足爬壁机器人步态分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 双向直线轨迹导引爬壁机构设计与分析
• 4.1 引言
• 4.2 双向近似直线轨迹导引机构建模
• 4.3 双向近似直线轨迹导引机构设计
• 4.4 双向近似直线轨迹导引机构力学分析
• 4.4.1 双向近似直线轨迹导引机构运动学分析
• 4.4.2 ADAMS运动学与动力学分析
• 4.4.2.1 ADAMS运动学分析
• 4.4.2.2 ADAMS动力学分析
• 4.4.3 水平方向运动仿真结果分析
• 4.4.4 竖直方向运动仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 控制系统与实验
• 5.1 引言
• 5.2 吸盘控制系统分析与实验
• 5.2.1 吸盘控制系统设计
• 5.2.2 吸盘吸附实验
• 5.2.2.1 吸盘零件选型
• 5.2.2.2 实验方法
• 5.2.2.3 实验结果分析
• 5.3 爬壁机构控制系统分析与实验
• 5.3.1 爬壁机构试验装置设计及零件选型
• 5.3.2 爬壁机构爬行实验
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 附录1 TINI基形状记忆合金特性汇总表
• 附录2 双向近似直线轨迹导引机构MATLAB仿真程序
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文