一种微小型水面跳跃滑翔机器人研究

发布时间：2020-05-24 00:08

【摘要】：跳跃运动与滑翔运动能够有效扩大微小型水面机器人的运动空间,赋予其更高的机动性与灵活性。机器人水面跳跃与滑翔是一个涉及材料、结构布局、弹跳机构、支撑系统以及机器人-水界面流体力学作用等多方面的复杂系统。受限于机器人-水界面流体力学的复杂性以及有关理论的缺乏,相关机器人的研究仍处于初级阶段。为此,本文结合国家自然科学基金“仿水黾水面滑跳复合运动机器人及其水动力学研究”,针对微小型水面跳跃滑翔机器人展开研究。首先,基于流体力学理论,开展机器人水面跳跃过程力学分析。以六杆机构作为弹跳机构,分析不同弹簧类型及其组合形式下弹跳机构的力学特性;研究不同支撑腿形状与结构参数下的腿-水相互作用力学模型,开展机器人陆地跳跃与水面跳跃过程分析。以机器人储存的能量及效率为优化目标,分析六连杆弹跳机构的几何尺寸参数、弹簧弹性系数、弹簧类型、六连杆储能压缩量等因素对机器人跳跃性能的影响。为后续机器人的参数优化计算提供理论基础。其次,基于空气动力学的相关知识,对机器人跳跃滑翔运动过程进行分析。根据机器人滑翔运动的限制条件,给出机器人跳跃的最小有效高度计算公式,从而确定机器人所输入的最小能量值。分析滑翔翼形状和滑翔运动攻角对机器人滑翔运动效果的影响,并以机器人的滑翔距离最大为目标,优化分析滑翔翼的展弦比、面积以及机器人的起跳角度。为后续机器人的结构设计及研制提供依据。再次,开展水面跳跃滑翔机器人结构设计,采用弹簧作为储能元件,不完全齿轮与六杆机构作为储能与释放机构,设计了跳跃滑翔机器人原型。为进行机器人水面跳跃滑翔动力学仿真,建立了Adams动力学仿真模型,分析机器人不同起跳角度、弹簧类型对机器人跳跃性能的影响,优化了机器人结构。最后,采用高精度3D打印技术,制作跳跃滑翔机器人,并开展样机不同参数、环境下的运动实验。分析了储能弹簧、起跳角度以及不同滑翔翼对于陆地跳跃及滑翔运动性能的影响;开展了机器人的水面跳跃运动实验,结合机器人跳跃时与水面作用冲击特点,优化弹跳机构以及储能元件参数,提高了机器人水面跳跃性能。
【图文】：

如图1-1(左)所示，此机器人质量为 7g，高度尺寸为 5cm，它能够跳跃比其自身高 27 倍的障碍物，其采用四连杆机构作为弹跳腿，，扭簧作为弹性元件，使用一个特殊形状的凸轮实现扭簧蓄能和释放，此外该机器人可以调节扭簧位置，从而控制机器人的

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文高度和距离。在此基础上，设计者又添加了球形支撑骨架[21]，如图 1-1(右可以使得机器人能主动修复自身姿态，从而实现连续性跳跃运动。图 1-1 四连杆微小型跳跃机器人Umberto Scarfogliero 等人模仿蝗虫和青蛙的跳跃过程，设计了一款微小器人 Grillo[22]，如图 1-2 所示，此机器人尺寸为 50mm，质量为 15g，安为 0.2W 的直流电机，并采用特殊形状的凸轮实现扭簧的储能和释放，使能以 1.5m/s 的速度向前跳跃。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

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