拱泥仿生机器人系统设计及其虚拟样机研究

论文摘要

拱泥机器人是一种能在水下泥土环境中按照规划轨迹完成攻打千斤洞作业的新型水下特种机器人,用来替代潜水员攻打千斤洞的手工作业。由于拱泥机器人是工作在海底泥土环境中,缺少必要的检测和通讯手段,一旦在试验或工作中发生意外,势必造成金钱和时间上的浪费。针对这一问题,本文提出了一种拱泥仿生机器人的总体技术方案,并对其虚拟样机展开了研究,为拱泥机器人实验样机的研制奠定了基础。应用虚拟样机技术开发基于蠕动原理拱泥仿生机器人是增强我国拱泥机器人自主研发和技术创新能力的有效途径。在拱泥仿生机器人设计的初期阶段针对其仿生机构、海洋土力学、运动学及其控制策略进行数学建模与仿真研究,可对拱泥仿生机器人总体性能进行匹配和整体优化,这对于缩短产品开发周期、降低成本、改进设计质量、提高市场竞争力具有重要的理论意义和学术价值。论文的主要研究内容如下所述。论文介绍了基于蠕动原理拱泥仿生机器人系统设计及其虚拟样机研究的背景与意义,概括了蠕动爬行机器人以及国内拱泥机器人的研究现状,从产品开发流程的角度出发,阐述了虚拟样机技术的产生背景、理论与方法及其工程应用,基于仿生机器人的主要研究问题即机构设计问题、建模问题以及控制策略问题这三个方面,提出应用虚拟样机技术进行拱泥仿生机器人系统设计及其虚拟样机研究的主要内容及其技术路线。根据蚯蚓的生理结构及其运动机理,提出了一种拱泥仿生机器人的总体技术方案;结合并联机构的特点,对拱泥机器人转向关节展开了深入的研究,并进行运动学的数值分析及计算机仿真研究。仿真结果表明,转向关节具有推进、跟进及转向三个功能。同时基于并联机构工作空间的研究方法,进行了转向关节装配方案的优化设计,并基于自顶向下的设计方法,进行了转向关节的参数化三维建模与自动装配方面的研究。基于自主移动机器人的控制策略分析的基础上,提出了基于规划与行为的混合式拱泥机器人控制体系结构;结合拱泥机器人的整体结构和运动特点,分析了拱泥机器人的控制策略,并设计了拱泥机器人的局部路径规划器。论文介绍了海洋沉积土的来源与分布情况,以及淤泥质粘土的工程性质。应用土的抗剪强度理论等经典土壤力学理论从宏观上进行拱泥机器人直行和转向时的受力分析。应用离散单元法进行土壤动态行为模拟,从细观上揭示了土壤动态行为的变化规律。在转向关节运动学模型的基础上,建立了拱泥机器人的运动学模型,为拱泥机器人的虚拟样机研究奠定了基础。通过分析复杂产品虚拟样机的信息与功能集成原理,建立了基于参数驱动的虚拟样机体系结构,并采用实例分析的方式将该结构应用在拱泥机器人虚拟样机的设计中。该结构为企业开发复杂产品、实施虚拟样机工程、进行产品创新提供了一条有效的途径。在虚拟样机的仿真实验研究方面,首先提出了避障控制器路径规划算法,并进行了仿真实验;采用多种计算机技术,分别从数据接口模块、数学运算模块、图形化仿真模块、硬件接口模块等方面展开研究,建立了拱泥机器人运动过程的图形化仿真平台,并进行了拱泥机器人作业模拟实验。在总结全文工作的基础上,对进一步的研究提出了建议和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 仿生爬行机器人研究综述
• 1.2.2 拱泥机器人研究现状分析
• 1.2.3 虚拟样机技术研究概述
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第2章 拱泥仿生机器人总体技术方案
• 2.1 蚯蚓的生理结构与运动机理
• 2.2 方案组成
• 2.2.1 功能分解
• 2.2.2 本体结构
• 2.3 蠕动转向机构
• 2.3.1 数学建模
• 2.3.2 仿真分析
• 2.3.3 装配优化
• 2.3.4 参数化设计与装配
• 2.4 控制系统方案
• 2.4.1 控制系统架构
• 2.4.2 位姿检测
• 2.4.3 控制策略分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 拱泥仿生机器人运动学模型建立
• 3.1 海洋土力学模型
• 3.1.1 水下沉积土
• 3.1.2 基于连续机理方法的力学模型分析
• 3.1.3 基于离散单元法的力学模型分析
• 3.2 运动学模型
• 3.2.1 预定轨迹确定
• 3.2.2 杆件坐标系变换矩阵
• 3.2.3 旋转角度及平移距离的确定
• 3.2.4 运动过程分析
• 3.2.5 运动过程仿真
• 3.3 本章小结
• 第4章 拱泥仿生机器人虚拟样机系统
• 4.1 虚拟样机的信息与功能
• 4.1.1 信息与功能集成原理
• 4.1.2 信息与功能集成框架
• 4.2 拱泥机器人虚拟样机设计
• 4.2.1 虚拟样机集成过程设计
• 4.2.2 参数数据库
• 4.3 本章小结
• 第5章 虚拟样机仿真实验研究
• 5.1 仿真模型建立
• 5.2 仿真平台设计
• 5.2.1 体系结构
• 5.2.2 各模块实现过程
• 5.3 拱泥作业模拟实验
• 5.3.1 转向关节作业模拟
• 5.3.2 整机作业模拟
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢