新型多足轮机构的研究与设计

发布时间：2020-09-21 08:29

　　本文针对轮式机构在山地、丘陵、高杆植被覆盖等复杂地形下行进困难以及现有步行机构结构复杂、控制难度大、造价高等问题,设计了一种新型多足轮步行机构。该机构融合了普通车轮速度快、传动效率高、能量损失少、控制简单以及步行机构抓地力强、能适应多种复杂地形的特点,可应用于农业、军事、探险、救援、运输等多个领域。本文以步行机构常用研究方法为手段,对新型多足轮步行机构的运动学、动力学、稳定性以及步态规划等问题进行了研究,并通过样机试验,验证机构的合理性和可行性。本文的研究内容主要包括以下几个方面。首先,根据四杆机构工作原理,设计多足轮机构,利用三维软件完成建模,为后续研究奠定基础。第二,建立多足轮机构的力学模型,分析多足轮静力学特性及其主要影响因素,初步确定结构优化方案;通过有限元仿真分析,检验结构受力的合理性,保证多足轮机构的力学特性要求。第三,建立多足轮运动学理论模型,分析多足轮结构运动规律;建立重心偏移量与足杆数量间的数学模型,优化足杆数量,确定多足轮结构参数;规划多足轮的行走步态,分析多足轮行走步态的影响因素;进行运动学仿真分析,验证理论模型的正确性,为动力学试验奠定基础。第四,对多足轮进行实地行走动力学特性仿真分析,研究多足轮在行走过程中,关节点受力在不同运动速度下的变化规律;分析多足轮在不同转速下的转矩需求,以及在不同地况下的最大负载能力。最后,进行多足轮样机的试制以及实地试验,研究多足轮样机在不同地况下行走时足杆冲击力以及最大负载能力。将理论、仿真分析和试验相结合,确定多足轮步行机构设计的合理性和可行性。
【学位单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH112
【部分图文】：

行走机构

随着对自然界的探索范围的扩大，常用的轮式行进机构已经不能满足人类对未域的探索以及在特殊地貌环境进行机械化作业的需求。然而，在地球上，超过 50％地面积是山地和丘陵等复杂环境，普通轮式机构的应用受到很大限制; 相反，人和等则可以轻易到达这些复杂地域的各个角落[1]。为适应这些复杂环境的机械化作业基于仿生学原理的多足步行结构及步行运载工具开始进入人类的研究视野。在行走之前，轮式移动机构可以在相对平坦且坚硬的地面上以低能耗高速移动。但是，难柔软的地面或崎岖复杂的地面上移动，而履带式机构以其高抓地性能和强劲动力输到广泛应用[2]。但是，面对复杂的山地、丘陵等植物茂密的特殊地貌，履带式移动也有很强的局限性，且灵活性较差。相比而言，步行机构就能很好的解决这一问题[3]此，步行机构逐渐得到国内外学者的重视并投入精力进行深入研究。特别是在崎岖密的植被上，步进式车辆优于轮式和履带式车辆，具有更好的机动性和地形适应性[4此，步行机械或机器人在山地运输，救灾和采矿等许多特殊行业中具有非常广阔的前景。它是国内外机器人领域的研究热点之一[5]。

行走机构,步行机构,步进式

新型多足轮机构的研究与设计括我国在内的多个国家，开始对步行机构加大了研究。在此基础上，更有学者提轮式和步进式机构相结合的研究方向。轮式和步进式机构的结合，可称之为轮腿组合式步行机构。该类型机构综合式和轮式机构的优点，兼具轮式机构的较强稳定性和较高能量效率的特点以及步超强越障能力的特点，适用于更为复杂的地面环境，如山地、壕沟、陡坡等[12-15]组合式行走机构在国内外众多国家已经得到了广泛研究[16]。

四足机器人

图 1.3 Big Dog 四足机器人图 1.4 Big Dog 二代机器人图 1.5 猎豹四足机器人除 Big Dog 之外，2014 年 9 月美国麻省理工学院公布了奔跑机器人猎豹的最新（如图 1.5 所示）。该机器人具有很强的运动能力和灵活性，室内测试速度可达 16.里/小时。并且还可做到跨栏、越障、跳跃等高难度动作[24]。Big Dog 的成功，带动了国外多个国家对多足步行机构的研究。除美国外，日多足步行机构的研究始于 20 世纪 80 年代，并不断加大研究力度，取得了巨大的技步。行走机构的机械结构不断改进，其功能和实用性不断提高。日本代表性的步行是由日本千叶大学 2007 年公布的 COMET-IV 步行机器人[25-26]。COMET-IV 还采用驱动的六腿对称布局，重量约为 2120 千克，承载能力为 424 千克[27]。COMET-IV 人的六腿对称布局允许在斜坡，极软或崎岖的地形上行走。如图 1.6 所示，机器人执行危险任务，如灾区救援和未知的环境调查[28]。

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