拱泥仿生機器人系統(tǒng)設(shè)計及其虛擬樣機研究.pdf

1、拱泥機器人是一種能在水下泥土環(huán)境中按照規(guī)劃軌跡完成攻打千斤洞作業(yè)的新型水下特種機器人，用來替代潛水員攻打千斤洞的手工作業(yè)。由于拱泥機器人是工作在海底泥土環(huán)境中，缺少必要的檢測和通訊手段，一旦在試驗或工作中發(fā)生意外，勢必造成金錢和時間上的浪費。針對這一問題，本文提出了一種拱泥仿生機器人的總體技術(shù)方案，并對其虛擬樣機展開了研究，為拱泥機器人實驗樣機的研制奠定了基礎(chǔ)。應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)開發(fā)基于蠕動原理拱泥仿生機器人是增強我國拱泥機器人自主研發(fā)和

2、技術(shù)創(chuàng)新能力的有效途徑。在拱泥仿生機器人設(shè)計的初期階段針對其仿生機構(gòu)、海洋土力學(xué)、運動學(xué)及其控制策略進行數(shù)學(xué)建模與仿真研究，可對拱泥仿生機器人總體性能進行匹配和整體優(yōu)化，這對于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、改進設(shè)計質(zhì)量、提高市場競爭力具有重要的理論意義和學(xué)術(shù)價值。論文的主要研究內(nèi)容如下所述。 論文介紹了基于蠕動原理拱泥仿生機器人系統(tǒng)設(shè)計及其虛擬樣機研究的背景與意義，概括了蠕動爬行機器人以及國內(nèi)拱泥機器人的研究現(xiàn)狀，從產(chǎn)品開發(fā)流程的

3、角度出發(fā)，闡述了虛擬樣機技術(shù)的產(chǎn)生背景、理論與方法及其工程應(yīng)用，基于仿生機器人的主要研究問題即機構(gòu)設(shè)計問題、建模問題以及控制策略問題這三個方面，提出應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)進行拱泥仿生機器人系統(tǒng)設(shè)計及其虛擬樣機研究的主要內(nèi)容及其技術(shù)路線。 根據(jù)蚯蚓的生理結(jié)構(gòu)及其運動機理，提出了一種拱泥仿生機器人的總體技術(shù)方案；結(jié)合并聯(lián)機構(gòu)的特點，對拱泥機器人轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)展開了深入的研究，并進行運動學(xué)的數(shù)值分析及計算機仿真研究。仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)具有推進

4、、跟進及轉(zhuǎn)向三個功能。同時基于并聯(lián)機構(gòu)工作空間的研究方法，進行了轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)裝配方案的優(yōu)化設(shè)計，并基于自頂向下的設(shè)計方法，進行了轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)的參數(shù)化三維建模與自動裝配方面的研究?；谧灾饕苿訖C器人的控制策略分析的基礎(chǔ)上，提出了基于規(guī)劃與行為的混合式拱泥機器人控制體系結(jié)構(gòu)；結(jié)合拱泥機器人的整體結(jié)構(gòu)和運動特點，分析了拱泥機器人的控制策略，并設(shè)計了拱泥機器人的局部路徑規(guī)劃器。 論文介紹了海洋沉積土的來源與分布情況，以及淤泥質(zhì)粘土的工程性質(zhì)。應(yīng)

5、用土的抗剪強度理論等經(jīng)典土壤力學(xué)理論從宏觀上進行拱泥機器人直行和轉(zhuǎn)向時的受力分析。應(yīng)用離散單元法進行土壤動態(tài)行為模擬，從細觀上揭示了土壤動態(tài)行為的變化規(guī)律。在轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)運動學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了拱泥機器人的運動學(xué)模型，為拱泥機器人的虛擬樣機研究奠定了基礎(chǔ)。 通過分析復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機的信息與功能集成原理，建立了基于參數(shù)驅(qū)動的虛擬樣機體系結(jié)構(gòu)，并采用實例分析的方式將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用在拱泥機器人虛擬樣機的設(shè)計中。該結(jié)構(gòu)為企業(yè)開發(fā)復(fù)雜產(chǎn)品、實施