仿水黽機(jī)器人機(jī)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(dòng)機(jī)能。受水黽啟發(fā)，人們對(duì)在水面這一非結(jié)構(gòu)環(huán)境下能快速移動(dòng)的仿水黽機(jī)器人的研究產(chǎn)生了濃厚興趣。仿水黽機(jī)器人以其效率高、機(jī)動(dòng)性好、噪音低、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小的優(yōu)勢(shì)將在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、水體檢測(cè)、地下管網(wǎng)檢測(cè)等軍事和民用等方面得到廣泛應(yīng)用。因此，開展仿水黽機(jī)器人的研究將具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(jī)器人新構(gòu)型，從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模與分析、

2、水力學(xué)建模與分析、運(yùn)動(dòng)仿真分析和模態(tài)分析、剛-柔耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真、樣機(jī)研制與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(dòng)仿水黽機(jī)器人新構(gòu)型，建立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型、劃水運(yùn)動(dòng)平衡性條件及機(jī)構(gòu)參數(shù)綜合條件，為機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計(jì)制作提供理論基礎(chǔ)。該機(jī)器人以三個(gè)電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)通過解耦控制兩驅(qū)動(dòng)腿實(shí)現(xiàn)劃水運(yùn)動(dòng)控制

3、，兩驅(qū)動(dòng)腿以差動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，與電機(jī)方案相比，該機(jī)器人以電磁鐵二元邏輯控制替代電機(jī)復(fù)雜伺服驅(qū)動(dòng)，其具有驅(qū)動(dòng)數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易微小型化、機(jī)動(dòng)性好、轉(zhuǎn)彎靈活、劃水效率高、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 2．考慮仿水黽機(jī)器人仿生原形特點(diǎn)，提出仿水黽機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，建立機(jī)器人虛擬樣機(jī)仿真模型，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析和各旋轉(zhuǎn)副受力情況及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)能量曲線分析，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，指出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，為物理樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論

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

5、劃水運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力學(xué)表達(dá)式，為機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際控制提供理論依據(jù)。 5．考慮仿水黽機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)視為為剛-柔耦合多體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的處理方法，建立考慮水接觸力約束函數(shù)的機(jī)器人剛-柔耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)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(jī)器人劃水板的劃水軌跡，該研究成果將為機(jī)器人今后實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)控制和精確運(yùn)行軌跡路線奠定理論基礎(chǔ)。 6