仿海蟹機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能分析及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在自然界中，兩棲環(huán)境充滿了不可測(cè)因素，是典型的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，機(jī)器人在兩棲環(huán)境中作業(yè)時(shí)往往不僅要面對(duì)陸地上高低不平的巖石和松軟的沙礫，還要面對(duì)水下的暗流或浮游生物，這種獨(dú)特的環(huán)境因素給傳統(tǒng)的陸地及水下機(jī)器人帶來了更高的挑戰(zhàn)。而傳統(tǒng)的機(jī)器人往往只具備陸地或水下一種作業(yè)能力，或在兩棲環(huán)境下作業(yè)效率較低。生物海蟹作為一種淺灘兩棲生物，既能夠以步行足實(shí)現(xiàn)陸地和海底爬行，也能夠以游泳足在水中游動(dòng)，具備優(yōu)越的兩棲運(yùn)動(dòng)能力。本文以生物海蟹為仿生原型，通

2、過對(duì)海蟹生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀察和分析，研制一種既能夠以步行足實(shí)現(xiàn)陸地爬行，又能夠以游泳足實(shí)現(xiàn)水下游動(dòng)的仿海蟹兩棲機(jī)器人。本文在仿海蟹機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用仿真和實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)其陸地和水下運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了研究。
　　本文在對(duì)仿生原型的充分觀察的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了具有水陸兩棲運(yùn)動(dòng)能力的仿海蟹機(jī)器人樣機(jī)。通過對(duì)生物海蟹的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，得出海蟹各部位的作用和構(gòu)造。參照海蟹身體外殼、軀干及肢體的布置方式，設(shè)計(jì)了仿海蟹機(jī)器人的

3、機(jī)體。通過對(duì)生物海蟹步行足的觀察和分析，以并聯(lián)五桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了機(jī)器人的步行足，并對(duì)比了串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)在相同負(fù)載下的關(guān)節(jié)扭矩。對(duì)海蟹游泳足進(jìn)行簡(jiǎn)化和提取，設(shè)計(jì)了具有三個(gè)自由度的機(jī)器人游泳足，能夠在較大程度上模仿海蟹游泳足的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
　　本文針對(duì)仿海蟹機(jī)器人步行足的運(yùn)動(dòng)性能展開了研究，建立了步行足并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，在此基礎(chǔ)上，求解了單個(gè)步行足的運(yùn)動(dòng)空間和速度雅可比矩陣；作為仿海蟹機(jī)器人實(shí)現(xiàn)陸地和水下的執(zhí)行單元，步

4、行足除了要為整個(gè)機(jī)器人提供支撐以外，更重要的是決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。論文通過ADAMS軟件對(duì)機(jī)器人平面直行的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了分析，并通過ADAMS和MATLAB搭建了整機(jī)的聯(lián)合仿真平臺(tái)，以轉(zhuǎn)向?yàn)槔龑?duì)步行足的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明機(jī)器人步行足設(shè)計(jì)合理，能夠滿足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要求。
　　游泳足是機(jī)器人的主要水下運(yùn)動(dòng)單元，不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)不同的游動(dòng)效果。論文通過計(jì)算流體力學(xué)方法分析了游泳足的水下推進(jìn)性能，建立了仿海蟹機(jī)器人整機(jī)

5、自主游動(dòng)的水動(dòng)力學(xué)模型，并通過 FLUENT軟件對(duì)機(jī)器人自主游動(dòng)的游動(dòng)速度、能耗等參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，同時(shí)對(duì)比了不同頻率以及單翼約束時(shí)，游泳足的水動(dòng)力學(xué)性能。
　　最后對(duì)單條步行足進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，確定在步行足各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的流暢，以及運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)產(chǎn)生碰撞或干涉等問題；對(duì)機(jī)器人的水下游動(dòng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將自主游動(dòng)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，還對(duì)左右兩個(gè)游泳足協(xié)調(diào)和交錯(cuò)拍動(dòng)下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和性能進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)一步闡述了機(jī)器人的水下游動(dòng)