仿水黽機器人機構(gòu)及性能分析研究.pdf

1、水黽可以在水面上停留并具有快速滑行和跳躍的活動機能。受水黽啟發(fā)，人們對在水面這一非結(jié)構(gòu)環(huán)境下能快速移動的仿水黽機器人的研究產(chǎn)生了濃厚興趣。仿水黽機器人以其效率高、機動性好、噪音低、對環(huán)境擾動小的優(yōu)勢將在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、水體檢測、地下管網(wǎng)檢測等軍事和民用等方面得到廣泛應(yīng)用。因此，開展仿水黽機器人的研究將具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。本文基于功能仿生原理，提出一種新型具有一定負(fù)載能力的仿水黽機器人新構(gòu)型，從運動學(xué)和動力學(xué)建模與分析、

2、水力學(xué)建模與分析、運動仿真分析和模態(tài)分析、剛-柔耦合驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)建模與仿真、樣機研制與控制系統(tǒng)設(shè)計以及實驗等進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與研究，取得了一定創(chuàng)新性的研究成果。 1．在研究仿生原型水黽結(jié)構(gòu)及運動特性基礎(chǔ)上，提出一種三自由度輸入并聯(lián)解耦劃水驅(qū)動仿水黽機器人新構(gòu)型，建立驅(qū)動機構(gòu)運動學(xué)與動力學(xué)模型、劃水運動平衡性條件及機構(gòu)參數(shù)綜合條件，為機器人樣機設(shè)計制作提供理論基礎(chǔ)。該機器人以三個電磁鐵作為驅(qū)動通過解耦控制兩驅(qū)動腿實現(xiàn)劃水運動控制

3、，兩驅(qū)動腿以差動方式實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎運動，與電機方案相比，該機器人以電磁鐵二元邏輯控制替代電機復(fù)雜伺服驅(qū)動，其具有驅(qū)動數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡單、易微小型化、機動性好、轉(zhuǎn)彎靈活、劃水效率高、控制簡單等特點。 2．考慮仿水黽機器人仿生原形特點，提出仿水黽機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，建立機器人虛擬樣機仿真模型，進(jìn)行驅(qū)動機構(gòu)運動學(xué)仿真分析和各旋轉(zhuǎn)副受力情況及機構(gòu)運動能量曲線分析，驗證機構(gòu)設(shè)計合理性，指出結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，為物理樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進(jìn)提供理論

4、依據(jù)。 3．考慮仿水黽機器人劃水頻率與共振問題，研究機器人的仿真模態(tài)特性，重點分析機器人劃水腿、驅(qū)動機構(gòu)、整機的固有頻率及相對位移云圖和相對應(yīng)力云圖，分析虛擬樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，指出機器人運動應(yīng)避開的工作頻率，為機器人的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計和控制提供理論依據(jù)。 4．考慮仿水黽機器人在水面環(huán)境工作這一特征，研究水對機器人運動的作用規(guī)律，建立仿水黽機器人漂浮平衡穩(wěn)定性條件、機器人劃水腿流場表達(dá)式、驅(qū)動機構(gòu)水動力學(xué)表達(dá)式和機器人

5、劃水運動的水動力學(xué)表達(dá)式，為機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和實際控制提供理論依據(jù)。 5．考慮仿水黽機器人驅(qū)動系統(tǒng)中輕型薄壁材料構(gòu)件引起的小幅度柔性變形問題，本文提出將機器人驅(qū)動系統(tǒng)視為為剛-柔耦合多體機器人驅(qū)動系統(tǒng)的處理方法，建立考慮水接觸力約束函數(shù)的機器人剛-柔耦合驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析研究，結(jié)果表明劃水腿小幅度柔性變形將影響機器人劃水板的劃水軌跡，該研究成果將為機器人今后實現(xiàn)高速運動控制和精確運行軌跡路線奠定理論基礎(chǔ)。 6