两栖多足机器人虚拟样机技术研究

论文摘要

本课题来源于国家自然科学基金项目“两栖仿生机械蟹基础技术研究”,论文以建立一个对复杂地形高度适应、性能可靠、并具有两栖环境下活动能力的微小型移动机器人平台为目标,对机器人机械本体结构设计、运动学模型、动力学模型和虚拟样机运动仿真技术开展研究。首先,在分析国内外大量足式机器人相关技术研究的基础上,总结前四型两栖多足机器人机械结构存在的问题和缺陷,创新性设计了完全模块化的第五型两栖多足机器人。两栖多足机器人通过复合式步行足增强作业能力;通过足尖增加减震模块减小机器人行走时地面对步行足的冲击。其具有可翻转行走特性,大大提高了机器人在两栖环境下运行的适应能力。根据两栖多足机器人的运动特点,建立了两栖多足机器人运动学模型。得到了机器人摆动步行足及站立步行足运动学正解和逆解、机器人运动速度及加速度的计算方法、关节角速度及角加速度的计算方法。其次,为了对两栖多足机器人进行进一步的基础研究,建立了机器人动力学分析模型。得出了机器人摆动步行足、站立步行足动力学方程以及机体动力学模型;得到了机器人水环境的力学分析模型、求解方程和加速反力计算方法;给出了步行足减震模块弹簧的力学模型以及弹簧刚度的选取方法。最后,利用虚拟样机技术结合仿真软件ADAMS建立了两栖多足机器人虚拟模型,进行了大量仿真实验。对两栖多足机器人的单步行足作了运动学仿真实验、足尖受法向力时的动力学仿真实验和步长选择对机器人动态性能影响实验;对两栖多足机器人整体做了横向运动仿真实验、空间零重力下的运动实验以及行走实验步行足各个关节所承受力矩的测定。通过仿真实验,验证了两栖多足机器人结构设计的正确性和步态规划的可行性,得到了一些非常有价值的数据和有益的结论,为物理样机的研制提供了有力的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 多足步行机器人研究现状与发展趋势
• 1.2.1 国内外多足步行机器人研究现状
• 1.2.2 多足步行机器人的研究方向
• 1.3 虚拟样机技术概述
• 1.3.1 虚拟样机技术的定义与研究内容
• 1.3.2 虚拟样机技术与多体系统动力学
• 1.3.3 虚拟样机软件ADAMS仿真步骤
• 1.4 论文完成的主要工作内容
• 第2章 两栖多足机器人总体方案研究
• 2.1 引言
• 2.2 五型两栖多足机器人简介
• 2.3 两栖多足机器人关节驱动与传动方式
• 2.3.1 驱动器的选择
• 2.3.2 步行足关节传动方式选择
• 2.4 两栖多足机器人机械本体
• 2.4.1 机器人整体机构组成及功能
• 2.4.2 模块化传动关节结构
• 2.4.3 单步行足结构
• 2.4.4 复合步行足结构
• 2.4.5 两栖多足机器人翻转运动
• 2.5 两栖多足机器人控制技术研究
• 2.5.1 总体控制思想
• 2.5.2 机器人控制系统硬件结构
• 2.5.3 机器人控制系统软件设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 两栖多足机器人运动学分析
• 3.1 引言
• 3.2 机器人运动学研究理论基础
• 3.3 两栖多足机器人摆动步行足运动学
• 3.3.1 摆动步行足运动学模型
• 3.3.2 摆动步行足运动学正解
• 3.3.3 摆动步行足运动学逆解
• 3.4 两栖多足机器人站立步行足运动学
• 3.5 机器人机体速度与加速度
• 3.5.1 机器人速度计算
• 3.5.2 机器人加速度计算
• 3.6 机器人步行足关节角速度与角加速度
• 3.6.1 机器人关节角速度计算
• 3.6.2 机器人关节角加速度计算
• 3.7 本章小结
• 第4章 两栖多足机器人动力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 机器人动力学研究理论基础
• 4.3 两栖多足机器人步行足动力学
• 4.3.1 摆动步行足动力学方程
• 4.3.2 站立步行足动力学方程
• 4.4 两栖多足机器人机体动力学
• 4.4.1 机器人动力学模型
• 4.4.2 惯性力和驱动力矩的计算
• 4.5 两栖多足机器人水环境力学研究
• 4.5.1 机器人水环境受力分析
• 4.5.2 机器人水环境加速反力
• 4.6 机器人步行足减震模块力学研究
• 4.6.1 以步行足足端位移为基础的力学分析
• 4.6.2 以缓冲制停时间为基础的力学分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于ADAMS的两栖多足机器人仿真实验
• 5.1 引言
• 5.2 Pro/E与ADAMS联合建模仿真
• 5.2.1 Pro/E与ADAMS的接口Mechanical
• 5.2.2 Pro/E与ADAMS的联合建模仿真步骤
• 5.2.3 机器人从Pro/E模型导入ADAMS
• 5.3 设置仿真工作环境和运动参数
• 5.3.1 设置仿真工作环境
• 5.3.2 施加运动函数
• 5.4 机器人单步行足仿真实验
• 5.4.1 施加电机驱动函数
• 5.4.2 单步行足运动学仿真实验
• 5.4.3 足尖受法向力时的动力学仿真实验
• 5.4.4 步长选择对机器人动态性能影响实验
• 5.5 两栖多足机器人运动仿真实验
• 5.5.1 施加电机驱动参数
• 5.5.2 空间零重力运动仿真实验
• 5.5.3 机器人横向行走仿真实验
• 5.5.4 行走实验步行足关节承受力矩分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢