發(fā)布時(shí)間：2017-05-16 21:01

  本文關(guān)鍵詞：仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)研制及其運(yùn)動(dòng)特性分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著人類科技文明的不斷進(jìn)步,各種適合于非常規(guī)地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)的開發(fā)已成為世界各國的關(guān)注的焦點(diǎn),仿生步行機(jī)構(gòu)的研究對(duì)于開發(fā)復(fù)雜地形的行走機(jī)構(gòu)具有十分重要的意義。步行機(jī)構(gòu)相對(duì)于輪式、履帶式行走機(jī)構(gòu)具有良好的通過性能和復(fù)雜地形適應(yīng)能力,可以更好地在極端環(huán)境中發(fā)揮作用,因此被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害救援、軍事偵察、深空探測、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。自然界中有許多步行動(dòng)物都具有出色的運(yùn)動(dòng)能力,能夠在各種復(fù)雜環(huán)境中來去自如。國內(nèi)外研究工作者希望通過尋找到步行動(dòng)物身體系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)和控制機(jī)制,并應(yīng)用在步行機(jī)構(gòu)上,以此來提高步行機(jī)構(gòu)的通過性能。本研究以在松軟地面上生活的中華絨螯蟹為研究對(duì)象,基于中華絨螯蟹的步態(tài)信息及運(yùn)動(dòng)特性,結(jié)合非結(jié)構(gòu)地面特點(diǎn),運(yùn)用工程仿生學(xué)原理,對(duì)非常規(guī)地面環(huán)境行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究,旨在提高其在非常規(guī)地面通過性和穩(wěn)定性。通過觀察分析中華絨螯蟹在不同地面及不同狀態(tài)下的行走特點(diǎn),并結(jié)合中華絨螯蟹自身生理結(jié)構(gòu)特性,從簡化機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)出發(fā),通過模仿螃蟹的行走方式開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越的仿螃蟹六足橫向移動(dòng)步行機(jī)構(gòu),并對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究。論文主要進(jìn)行以下幾方面的工作:(1)分析中華絨螯蟹單個(gè)步足的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),結(jié)合桿件類機(jī)構(gòu)的末端軌跡,提出幾種可行的仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)腿部結(jié)構(gòu),并利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)單腿機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,最終選定六連桿機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)的腿部結(jié)構(gòu)。(2)除去螃蟹前端兩只不參與行走的螯,以及螃蟹尾端第四對(duì)步足(L4和R4),將步行機(jī)構(gòu)簡化設(shè)計(jì)為六足式,腿部運(yùn)動(dòng)由六連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)�；隗π飞眢w是左右對(duì)稱結(jié)構(gòu),本研究將六足均勻分布基體兩側(cè),采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),并利用三維建模軟件CATIA完成整體機(jī)構(gòu)的構(gòu)建。(3)采用ADAMS對(duì)步行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,生成視頻文件,然后利用二維/三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)Simi motion逐幀解析仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)圖像,得出一個(gè)完整周期內(nèi),步行機(jī)構(gòu)各條腿的支撐相、擺動(dòng)相和負(fù)荷因數(shù)。對(duì)各條腿進(jìn)行編號(hào),基于Simi motion獲取的數(shù)據(jù),得到步行機(jī)構(gòu)在平路面行走時(shí)的步態(tài)時(shí)序圖,與中華絨螯蟹在平整硬路面的步態(tài)時(shí)序圖進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明兩者具有很高的相似度,相似度達(dá)到75%。(4)在負(fù)載條件下,對(duì)仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)初始樣機(jī)進(jìn)行測試,結(jié)果表明步行機(jī)構(gòu)在負(fù)載為5.5kg的條件下,能完成預(yù)期行走動(dòng)作。為分析仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)行走特性,在不同粗糙度地面上開展與輪式模型車的通過性對(duì)比試驗(yàn),利用運(yùn)動(dòng)圖像解析軟件Simi motion完成了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,結(jié)果表明針對(duì)不同地形仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)具有較好的適應(yīng)能力,在大粗糙度硬地面(Ra=4.54)和松散干沙地面(Ra=2.10)上通過性能良好;在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中所涉及的粗糙地面上,仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)較輪式模型車的平順性好;仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)和輪式模型車在小粗糙度地面(Ra=2.91)上沿X軸方向(橫向)位移波動(dòng)極差和最大加速率比較接近,分別相差5%和7%。沿Z軸方向(垂向)二者區(qū)別較大,仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)位移和加速率最大值較輪式模型車分別降低75%和26%。(5)為進(jìn)一步提高仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平順性。采用CATIA建立不同腿部桿件尺寸的步行機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型,并在ADAMS中完成運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,導(dǎo)出步行機(jī)構(gòu)各腿關(guān)節(jié)位移和角度數(shù)據(jù),反算得到特征點(diǎn)的波動(dòng)特性參數(shù),根據(jù)需求建立多種目標(biāo)函數(shù),通過運(yùn)行多目標(biāo)、多參數(shù)的優(yōu)化軟件從而獲得最優(yōu)的腿部桿件設(shè)計(jì)參數(shù),最終優(yōu)化結(jié)果為:GF=31.6mm,EF=36mm,EH=115mm。(6)針對(duì)優(yōu)化后的仿螃蟹步行機(jī)構(gòu),進(jìn)行與初始原型在4種地面的對(duì)比試驗(yàn),并利用三維運(yùn)動(dòng)圖像分析軟件Simi motion對(duì)運(yùn)動(dòng)視頻信息進(jìn)行解析,導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),計(jì)算得到各個(gè)性能指標(biāo)和目標(biāo)函數(shù)值。結(jié)果表明優(yōu)化后的仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)在4種地面上目標(biāo)函數(shù)值總體上較初始樣機(jī)好,部分目標(biāo)函數(shù)值降低超過50%,充分體現(xiàn)優(yōu)化后的仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)具有更好的通過性能。本研究不僅提出適合在非常規(guī)地面行走的仿蟹步行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,為提高步行機(jī)構(gòu)在不平地面通過性研究提供基礎(chǔ)研究設(shè)備條件,還為松軟地面上仿生觸土部件的研究提供了試驗(yàn)平臺(tái)。
【關(guān)鍵詞】：仿生步行機(jī)構(gòu) 中華絨螯蟹 仿真分析 非結(jié)構(gòu)地面 通過性
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH112
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 研究背景和意義12-14
• 1.2 地面行走機(jī)構(gòu)概況14-15
• 1.2.1 地面行走機(jī)構(gòu)分類14
• 1.2.2 常規(guī)行走機(jī)構(gòu)工作特點(diǎn)14
• 1.2.3 非常規(guī)行走機(jī)構(gòu)性能特點(diǎn)14-15
• 1.3 多足步行機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀15-22
• 1.3.1 國外多足步行機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀15-20
• 1.3.2 國內(nèi)腿式行走機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀20-22
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容22-26
• 1.4.1 研究的技術(shù)路線22-23
• 1.4.2 研究主要內(nèi)容23-26
• 第2章 面向步行機(jī)構(gòu)的仿生學(xué)研究26-38
• 2.1 引言26-27
• 2.2 仿生原型及其習(xí)性27
• 2.3 中華絨螯蟹生物學(xué)特征分析27-31
• 2.3.1 中華絨螯蟹身體結(jié)構(gòu)組成27-28
• 2.3.2 中華絨螯蟹螯和步足28-30
• 2.3.3 中華絨螯蟹步足功能分析30-31
• 2.4 中華絨螯蟹在的平路面運(yùn)動(dòng)步態(tài)和足端運(yùn)動(dòng)軌跡31-36
• 2.4.1 步態(tài)的相關(guān)定義和研究方法31
• 2.4.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)試驗(yàn)分析過程31-33
• 2.4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析33-36
• 2.5 本章小結(jié)36-38
• 第3章 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)38-56
• 3.1 引言38-39
• 3.2 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)腿部結(jié)構(gòu)選擇39-44
• 3.2.1 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求39
• 3.2.2 腿部機(jī)構(gòu)確定39-44
• 3.3 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)44-50
• 3.3.1 本研究采用的CATIA和ADAMS44-46
• 3.3.2 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)單個(gè)腿部結(jié)構(gòu)三維建模與仿真分析 ..353.3.3 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)步行腿的布置46-49
• 3.3.4 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)49-50
• 3.4 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的動(dòng)態(tài)仿真50-52
• 3.5 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)樣機(jī)步態(tài)獲取52-54
• 3.6 本章小結(jié)54-56
• 第4章 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)行走特性分析56-74
• 4.1 引言56
• 4.2 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能基本參數(shù)指標(biāo)56-57
• 4.3 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)和輪式模型車對(duì)比試驗(yàn)條件57-61
• 4.3.1 試驗(yàn)設(shè)備57-59
• 4.3.2 對(duì)比試驗(yàn)路面的設(shè)計(jì)與研制59-61
• 4.3.3 對(duì)比試驗(yàn)對(duì)象61
• 4.4 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)和輪式模型車對(duì)比試驗(yàn)方法61-63
• 4.4.1 試驗(yàn)過程61-62
• 4.4.2 數(shù)據(jù)采集62-63
• 4.5 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)與輪式模型車對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與分析63-72
• 4.5.1 數(shù)據(jù)處理63-66
• 4.5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析66-72
• 4.6 本章小結(jié)72-74
• 第5章 仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化74-96
• 5.1 引言74
• 5.2 試驗(yàn)參數(shù)求解理論依據(jù)74-79
• 5.2.1 空間角度計(jì)算74-76
• 5.2.2 擺動(dòng)角和俯仰角計(jì)算76-79
• 5.3 優(yōu)化指標(biāo)和目標(biāo)函數(shù)79-81
• 5.3.1 性能指標(biāo)79
• 5.3.2 目標(biāo)函數(shù)79-81
• 5.4 優(yōu)化方法及虛擬試驗(yàn)81-89
• 5.4.1 優(yōu)化目標(biāo)81
• 5.4.2 優(yōu)化試驗(yàn)方法81-82
• 5.4.3 尋優(yōu)計(jì)算82-89
• 5.5 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證89-93
• 5.5.1 試驗(yàn)條件89
• 5.5.2 試驗(yàn)分析與處理89
• 5.5.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比89-93
• 5.6 優(yōu)化試驗(yàn)路線圖93
• 5.7 本章小結(jié)93-96
• 第6章 結(jié)論與展望96-100
• 6.1 主要結(jié)論96-98
• 6.2 研究展望98-100
• 參考文獻(xiàn)100-108
• 導(dǎo)師及作者簡介108-110
• 攻讀碩士學(xué)位期間學(xué)術(shù)成果、參加科研和獲獎(jiǎng)情況110-112
• 致謝112

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