基于ADAMS的大壁虎爬行的动力学仿真分析

论文摘要

以动物体为对象研究其建模方法,分析其运动学和动力学性能,是仿生机械研究的重要方法之一。本文首先从动物解剖学理论出发,详细地分析了大壁虎的骨骼、关节和运动肌等身体结构。运用反求图像和计算相结合的方法,获得了建模所需的几何和运动参数。建立简单的空间运动模型,经过多次试算,找到大壁虎的最佳空间建模状态。然后结合多体系统动力学理论,对壁虎身体结构进行了适当的简化,应用机械系统动力学仿真软件ADAMS中建立了大壁虎的三维多刚体动力学模型及其运动环境。根据分析目的不同,建立了相应的分析模型,依次进行了以下四种运动学或动力学仿真:身体质心处施加驱动的运动学仿真并将仿真得到的关节角度变化与实验数据对比;施加关节驱动的四腿运动学仿真;脚掌与地面间作用力的动力学仿真并将计算结果与已有实验数据对比;四腿关节驱动的动力学仿真。最后,得到了大壁虎在水平地面爬行时关节驱动力矩随时间的变化规律。大壁虎动力学建模和水平地面爬行仿真的研究,为进一步研究壁虎在陡壁、天花板等的爬行规律和研制仿壁虎爬壁机器人的物理样机打下了一定的基础,也为其它仿生机器人的研究提供了方法参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 运动生物力学
• 1.3 本文的研究内容
• 1.3.1 研究目的、意义
• 1.3.2 国内外研究状况
• 1.3.3 研究内容和方法
• 1.4 本文的总体结构
• 第二章 多体系统动力学和 ADAMS 虚拟样机技术概述
• 2.1 多体系统动力学
• 2.1.1 产生和发展
• 2.1.2 建模理论
• 2.1.3 基本概念
• 2.1.4 建模与求解一般过程
• 2.2 ADAMS 虚拟样机技术
• 2.2.1 ADAMS 软件概述
• 2.2.2 ADAMS/View 模型元素
• 2.2.3 虚拟样机设计过程
• 2.3 解决 ADAMS 软件数值发散的方法
• 2.3.1 数值发散的原因
• 2.3.2 解决数值发散的技巧
• 2.4 本章小结
• 第三章 大壁虎结构分析
• 3.1 大壁虎
• 3.2 方位规定
• 3.3 大壁虎身体结构分析
• 3.3.1 主要骨骼
• 3.3.2 主要运动关节
• 3.3.3 附肢骨及其关节
• 3.3.4 运动肌分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 大壁虎动力学模型建立
• 4.1 建立各部分刚体模型
• 4.1.1 建模假设
• 4.1.2 各部分刚体模型
• 4.2 模型参数的获取
• 4.2.1 质量参数
• 4.2.2 结构尺寸参数
• 4.2.3 外形尺寸及惯量
• 4.3 步态周期分析
• 4.4 空间造型
• 4.4.1 中间状态空间位置计算
• 4.4.2 初始状态空间位置计算
• 4.5 环境建模
• 4.6 大壁虎多刚体模型建立
• 4.6.1 各关节模型
• 4.6.2 坐标系选取
• 4.6.3 ADAMS 中模型建立
• 4.7 分析模型
• 4.7.1 运动学分析
• 4.7.2 动力学分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 ADAMS 仿真及结果分析
• 5.1 身体质心处施加驱动的运动学仿真
• 5.2 施加关节驱动的四腿运动学仿真
• 5.3 脚掌与地面间接触力的动力学仿真
• 5.4 关节驱动力矩的动力学仿真
• 5.4.1 支撑腿关节的驱动力矩
• 5.4.2 摆动腿关节的驱动力矩
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文