仿螃蟹步行机构研制及其运动特性分析

发布时间：2017-05-16 21:01

  本文关键词：仿螃蟹步行机构研制及其运动特性分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着人类科技文明的不断进步,各种适合于非常规地面移动机构的开发已成为世界各国的关注的焦点,仿生步行机构的研究对于开发复杂地形的行走机构具有十分重要的意义。步行机构相对于轮式、履带式行走机构具有良好的通过性能和复杂地形适应能力,可以更好地在极端环境中发挥作用,因此被广泛应用于灾害救援、军事侦察、深空探测、交通运输等领域。自然界中有许多步行动物都具有出色的运动能力,能够在各种复杂环境中来去自如。国内外研究工作者希望通过寻找到步行动物身体系统的生理结构和控制机制,并应用在步行机构上,以此来提高步行机构的通过性能。本研究以在松软地面上生活的中华绒螯蟹为研究对象,基于中华绒螯蟹的步态信息及运动特性,结合非结构地面特点,运用工程仿生学原理,对非常规地面环境行走机构进行研究,旨在提高其在非常规地面通过性和稳定性。通过观察分析中华绒螯蟹在不同地面及不同状态下的行走特点,并结合中华绒螯蟹自身生理结构特性,从简化机构及其控制系统出发,通过模仿螃蟹的行走方式开发了一种结构简单、性能优越的仿螃蟹六足横向移动步行机构,并对其运动特性进行研究。论文主要进行以下几方面的工作:(1)分析中华绒螯蟹单个步足的运动特点,结合杆件类机构的末端轨迹,提出几种可行的仿螃蟹步行机构腿部结构,并利用多体动力学软件ADAMS对单腿机构进行仿真分析,最终选定六连杆机构作为步行机构的腿部结构。(2)除去螃蟹前端两只不参与行走的螯,以及螃蟹尾端第四对步足(L4和R4),将步行机构简化设计为六足式,腿部运动由六连杆机构实现。基于螃蟹身体是左右对称结构,本研究将六足均匀分布基体两侧,采用直流电机驱动,并利用三维建模软件CATIA完成整体机构的构建。(3)采用ADAMS对步行机构进行运动学仿真,生成视频文件,然后利用二维/三维运动分析系统Simi motion逐帧解析仿螃蟹步行机构的运动图像,得出一个完整周期内,步行机构各条腿的支撑相、摆动相和负荷因数。对各条腿进行编号,基于Simi motion获取的数据,得到步行机构在平路面行走时的步态时序图,与中华绒螯蟹在平整硬路面的步态时序图进行对比,结果表明两者具有很高的相似度,相似度达到75%。(4)在负载条件下,对仿螃蟹步行机构初始样机进行测试,结果表明步行机构在负载为5.5kg的条件下,能完成预期行走动作。为分析仿螃蟹步行机构行走特性,在不同粗糙度地面上开展与轮式模型车的通过性对比试验,利用运动图像解析软件Simi motion完成了对试验数据的处理,结果表明针对不同地形仿螃蟹步行机构具有较好的适应能力,在大粗糙度硬地面(Ra=4.54)和松散干沙地面(Ra=2.10)上通过性能良好;在农业生产活动中所涉及的粗糙地面上,仿螃蟹步行机构较轮式模型车的平顺性好;仿螃蟹步行机构和轮式模型车在小粗糙度地面(Ra=2.91)上沿X轴方向(横向)位移波动极差和最大加速率比较接近,分别相差5%和7%。沿Z轴方向(垂向)二者区别较大,仿螃蟹步行机构位移和加速率最大值较轮式模型车分别降低75%和26%。(5)为进一步提高仿螃蟹步行机构的运动平顺性。采用CATIA建立不同腿部杆件尺寸的步行机构三维实体模型,并在ADAMS中完成运动学仿真,导出步行机构各腿关节位移和角度数据,反算得到特征点的波动特性参数,根据需求建立多种目标函数,通过运行多目标、多参数的优化软件从而获得最优的腿部杆件设计参数,最终优化结果为:GF=31.6mm,EF=36mm,EH=115mm。(6)针对优化后的仿螃蟹步行机构,进行与初始原型在4种地面的对比试验,并利用三维运动图像分析软件Simi motion对运动视频信息进行解析,导出运动学参数,计算得到各个性能指标和目标函数值。结果表明优化后的仿螃蟹步行机构在4种地面上目标函数值总体上较初始样机好,部分目标函数值降低超过50%,充分体现优化后的仿螃蟹步行机构具有更好的通过性能。本研究不仅提出适合在非常规地面行走的仿蟹步行机构的设计方案,为提高步行机构在不平地面通过性研究提供基础研究设备条件,还为松软地面上仿生触土部件的研究提供了试验平台。
【关键词】：仿生步行机构 中华绒螯蟹 仿真分析 非结构地面 通过性
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 研究背景和意义12-14
• 1.2 地面行走机构概况14-15
• 1.2.1 地面行走机构分类14
• 1.2.2 常规行走机构工作特点14
• 1.2.3 非常规行走机构性能特点14-15
• 1.3 多足步行机构研究现状15-22
• 1.3.1 国外多足步行机构研究现状15-20
• 1.3.2 国内腿式行走机构研究现状20-22
• 1.4 本文主要研究内容22-26
• 1.4.1 研究的技术路线22-23
• 1.4.2 研究主要内容23-26
• 第2章 面向步行机构的仿生学研究26-38
• 2.1 引言26-27
• 2.2 仿生原型及其习性27
• 2.3 中华绒螯蟹生物学特征分析27-31
• 2.3.1 中华绒螯蟹身体结构组成27-28
• 2.3.2 中华绒螯蟹螯和步足28-30
• 2.3.3 中华绒螯蟹步足功能分析30-31
• 2.4 中华绒螯蟹在的平路面运动步态和足端运动轨迹31-36
• 2.4.1 步态的相关定义和研究方法31
• 2.4.2 运动学试验分析过程31-33
• 2.4.3 试验结果与分析33-36
• 2.5 本章小结36-38
• 第3章 仿螃蟹步行机构的设计38-56
• 3.1 引言38-39
• 3.2 仿螃蟹步行机构腿部结构选择39-44
• 3.2.1 腿部结构设计要求39
• 3.2.2 腿部机构确定39-44
• 3.3 仿螃蟹步行机构整体设计44-50
• 3.3.1 本研究采用的CATIA和ADAMS44-46
• 3.3.2 仿螃蟹步行机构单个腿部结构三维建模与仿真分析 ..353.3.3 仿螃蟹步行机构步行腿的布置46-49
• 3.3.4 仿螃蟹步行机构整体机械结构设计49-50
• 3.4 仿螃蟹步行机构运动学的动态仿真50-52
• 3.5 仿螃蟹步行机构样机步态获取52-54
• 3.6 本章小结54-56
• 第4章 仿螃蟹步行机构行走特性分析56-74
• 4.1 引言56
• 4.2 仿螃蟹步行机构运动性能基本参数指标56-57
• 4.3 仿螃蟹步行机构和轮式模型车对比试验条件57-61
• 4.3.1 试验设备57-59
• 4.3.2 对比试验路面的设计与研制59-61
• 4.3.3 对比试验对象61
• 4.4 仿螃蟹步行机构和轮式模型车对比试验方法61-63
• 4.4.1 试验过程61-62
• 4.4.2 数据采集62-63
• 4.5 仿螃蟹步行机构与轮式模型车对比试验结果与分析63-72
• 4.5.1 数据处理63-66
• 4.5.2 试验结果分析66-72
• 4.6 本章小结72-74
• 第5章 仿螃蟹步行机构的结构优化74-96
• 5.1 引言74
• 5.2 试验参数求解理论依据74-79
• 5.2.1 空间角度计算74-76
• 5.2.2 摆动角和俯仰角计算76-79
• 5.3 优化指标和目标函数79-81
• 5.3.1 性能指标79
• 5.3.2 目标函数79-81
• 5.4 优化方法及虚拟试验81-89
• 5.4.1 优化目标81
• 5.4.2 优化试验方法81-82
• 5.4.3 寻优计算82-89
• 5.5 优化结果验证89-93
• 5.5.1 试验条件89
• 5.5.2 试验分析与处理89
• 5.5.3 试验结果对比89-93
• 5.6 优化试验路线图93
• 5.7 本章小结93-96
• 第6章 结论与展望96-100
• 6.1 主要结论96-98
• 6.2 研究展望98-100
• 参考文献100-108
• 导师及作者简介108-110
• 攻读硕士学位期间学术成果、参加科研和获奖情况110-112
• 致谢112

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