井下搜救探测机器人的虚拟样机建模技术与研究

论文摘要

我国已成为世界煤炭开采和消耗的第一大国,也是发生煤矿安全事故最多的国家。研究设计一种能够代替人的机器人深入煤矿井下进行搜救和探测必将大大减少我国在煤矿开采与矿难抢险中的人员伤亡。同时在这方面技术的突破必将有利于提升我国智能机器人的研制水平,推动我国机器人技术研究和实际应用的发展。本文针对煤矿井下搜救探测机器人技术的要求,提出了一种机器人本体结构设计方案,并应用虚拟样机技术对所设计机器人进行了系统的建模与研究。本文设计了一种采用三段式橡胶履带——摆臂复合行走机器人的本体结构,并应用Pro/E软件建立了完整的机器人本体结构数字样机模型,对模型进行了初步检测与干涉分析,确定了机器人整体结构参数。采用虚拟样机技术,通过ADAMS软件建立了机器人橡胶履带行走机构的虚拟样机模型,并对机器人行走机构进行了系统的运动学/动力学仿真与分析,计算出了橡胶履带阻尼系数,选定了主驱动电机型号,确定了机器人在各种工况下的起步加速度和运行速度,分析了机器人越障、越沟、爬坡与转弯等运行状态性能。本文还应用ANSYS软件建立了机器人摆臂单元的有限元模型,进行了机器人摆臂单元静力学分析。仿真分析试验结果表明本文设计的机器人本体结构设计合理、运动灵活,具有良好的动力性和复杂路面的通过性;摆臂单元的刚度和强度能够满足机器人在各种工况下运行的要求。该煤矿井下搜救探测机器人的本体结构的研发为环境探测、避障控制等功能的研究与实现搭建了一个机动性能好、运行效率高的机械移动平台,目前该设计已申请国家发明专利。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 课题来源
• 1.3 国内外研究动态
• 1.4 虚拟样机技术概述
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 煤矿井下搜救探测机器人本体结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 机器人本体结构设计
• 2.2.1 机器人本体结构的性能及要求
• 2.2.2 机器人本体结构设计及其数字化样机
• 2.2.3 机器人本体结构的特点
• 2.3 机器人的多姿态运动
• 2.3.1 平面运动
• 2.3.2 越障
• 2.3.3 越沟
• 2.4 机器人传动机构设计
• 2.4.1 履带驱动
• 2.4.2 摆臂的实现
• 2.4.3 传动机构总的特点
• 2.5 机器人模块化与张紧结构设计
• 2.5.1 模块化设计
• 2.5.2 履带张紧的实现
• 2.6 机器人数字化样机及其分析
• 2.6.1 零件结构干涉检测
• 2.6.2 机器人质量属性检测
• 2.7 本章小结
• 第三章 机器人行走机构虚拟样机的建立
• 3.1 引言
• 3.2 建模与仿真软件概述
• 3.2.1 Pro/E 简介
• 3.2.2 ADAMS 动力学仿真软件简介
• 3.2.3 从Pro/E 将模型导入ADAMS
• 3.2.4 动力学/运动学建模的简化原则与思路
• 3.3 机器人行走机构虚拟样机建模
• 3.3.1 履带的简化与建模
• 3.3.2 履带轮的建模
• 3.3.3 机器人主体的简化
• 3.3.4 模型装配
• 3.3.5 主履带模型的建立
• 3.3.6 摆臂履带模型的建立
• 3.4 模型在ADAMS 中主要设置及参数说明
• 3.4.1 施加各种约束
• 3.4.2 履带节连接Bushing 及其参数设置
• 3.4.3 橡胶与路面材料
• 3.4.4 接触的定义
• 3.4.5 履带的张紧
• 3.4.6 施加外部载荷
• 3.5 本章小结
• 第四章 机器人行走机构运动学/动力学仿真实验与分析
• 4.1 引言
• 4.2 机器人运动学理论与ADAMS 求解器
• 4.2.1 WMRII 运动学方程
• 4.2.2 主驱动模块运动学方程
• 4.2.3 履带行走机构ADAMS 仿真的求解器选择
• 4.3 动力学/运动学仿真实验与分析
• 4.3.1 履带的阻尼系数
• 4.3.2 主驱动电机的选定
• 4.3.3 动力学仿真实验
• 4.4 综合仿真实验
• 4.4.1 直行——转弯——直行
• 4.4.2 崎岖路面行走
• 4.4.3 陡坡转弯
• 4.4.4 越沟
• 4.4.5 越障
• 4.4.6 台阶
• 4.4.7 自撑起
• 4.5 本章小结
• 第五章 机器人摆臂有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 有限元软件ANSYS 概述
• 5.2.1 前处理模块
• 5.2.2 求解模块
• 5.2.3 后处理模块
• 5.3 机器人前后摆臂结构有限元模型建立
• 5.3.1 机器人前后摆臂结构设计
• 5.3.2 机器人前后摆臂几何模型简化
• 5.3.3 机器人前后摆臂有限元模型建立
• 5.4 机器人前后摆臂有限元分析
• 5.4.1 加载与约束
• 5.4.2 结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文研究内容总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文与获奖