基于范德华力的仿壁虎机器人在模拟空间环境下的黏附和运动仿真研究

发布时间：2017-12-12 11:14

  本文关键词：基于范德华力的仿壁虎机器人在模拟空间环境下的黏附和运动仿真研究

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【摘要】：研究成本低、运动范围大、可自主移动的新型空间仿壁虎爬壁机器人,可以填补机械臂无法精细化、灵活操作的空缺,未来可以无障碍地爬行于宇宙飞船或空间站的舱体内外,协助宇航员完成特定的检修和勘探任务,在航天领域将有重要的研究意义和广泛的应用前景。本文首先从可能影响机器人黏附可靠性的足端姿态开始分析,通过总结脚掌姿态变化角度与位移轨迹的关系,系统的研究了机器人运动过程中腿部摆动对接触姿态的影响,由此对踝关节被动自由度的设计提出了要求;然后,研制了单腿测力平台,将其分别置于大气常温、真空、高温环境中,验证脚掌干黏附材料是否适用于空间极端情况;最后,通过仿真分析总结了机器人在微重力环境下的运动规律,为实物调试提供指导。主要工作如下:通过分析单腿自由度分布情况总结了机器人在运动过程中脚掌的位姿变化,将姿态变化角度分解为接触平面在原平面内的旋转角度和空间中的翻转角度,分别分析了仿壁虎机器人单腿在法向黏附力测试、切向黏附力测试、脱附力测试过程中姿态变化角与足端位移的对应关系,分析结果可作为步态规划、被动自由度设计、脚掌精确控制的重要参考。提出了影响干黏附材料性能的步态参数:预压力及脱附轨迹角度,并对其进行优化,使材料具有强黏附和易脱附的性能。通过实验设备改变环境真空度和温度,并设计单腿测力平台,实时记录不同轨迹下的足端黏脱附力,与大气环境中的实验数据进行对比分析,总结得真空环境中材料黏脱附性能与大气中几乎无差异;高温环境中随着温度的改变,在材料表面能和杨氏模量的综合影响下,黏附、脱附效果和大气中有稍有差异。利用ADAMS与ANSYS软件分别建立机器人机身仿真模型与脚掌柔性模型,通过分析脚掌接触力学优化脚掌基底材料弹性模量及脚掌接触速度等参数;并在仿真软件中分别设置重力和微重力环境,通过观察机身质心位移、关节角速度和输出转矩、运动姿态、足端力与力的冲量等数据,综合分析微重力环境对运动稳定性带来的影响,将来可以利用仿真结论指导机器人实物调试,最后通过实验测试确定了较优的脚掌基底。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

【参考文献】

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本文编号：1282277