基于环形实验平台C形腿轮沙作用的动力学模型研究

发布时间：2020-07-16 13:55

【摘要】：近年来,为寻找沙漠资源以及月球表面资源,人们开始仿照沙漠生物的行走原理,设计出各类足式仿生机器人对沙漠进行探测。其中,由于C形腿仿生机器人在沙基中的运行类似于蜥蜴行走,具有良好的通过性能,成为人们研究的热点。本文在已有六足仿生C形腿机器人环形实验平台基础上,对其进行修改完善,保证其能够在松软沙粒上自由行走,分析C形腿与沙作用时,轮缘应力分布规律和C形腿运动规律,验证该机器人在松软地面上的通过性能。首先,对C形腿环形实验平台进行修改完善,使其能够在松软沙粒上完成行走,并完成轮缘应力数据和滑转率数据的采集;通过对轮缘应力数据处理与分析,研究C形腿轮缘各位置点应力变化情况,和C形腿以不同速度运行时,轮缘应力分布规律。其次,对机器人的C形腿轮进行受力分析,建立力学平衡关系式;根据轮缘应力分布特性,利用积分模型计算C形腿在运行时所受挂钩牵引力与地面支持力的变化规律,建立C形腿的动力学模型;研究C形腿轮在松软沙基中的运动特性,并对机器人运行时的滑转率进行计算,研究其在松软地面上的通过性能。最后,对三维力传感器所测数据进行处理分析,研究由三维力传感器测得的挂钩牵引力与地面支持力的分布特性,并计算其与积分模型得到的挂钩牵引力与地面支持力之间的误差,验证数据处理方法与积分模型的正确性。同时分析由动力学模型推算的机器人运行滑转率与实测滑转率之间的误差,验证动力学模型的正确性。
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

离散元方法,二维

状的腿轮机器人在松软颗粒介质上的通过性能最好。２０１４年，马萨诸塞理工学院验室的Ｃ．邋Ｓｅｎａｔｏｒｅ和Ｋ．邋Ｉａｇｎｅｍｍａ利用安装在位于轮－壤界面处的定制力传感器，壤接触界面处的法向应力和剪切应力［１８］。描述了在无粘性土壤上操作小型刚性轮，力分布进行详细分析。同时，利用粒子图像测速（ＰＩＶ）分析研宄车轮在松软土。德国的Ｌ．邋Ｒｉｃｈｔｅｒ等人提出了一个有效的轮－壤相互作用模型，轮子直径在２００￣５０垂直准静态车轮载荷为１００￣２００Ｎ，并应用该车轮大小和车轮负荷于当前的行星探对于未来火星探测车与运动有关的移动特性分析是必不可少的。他们对此设计了一提出行星探测车轮－土相互作用预测模型，以及对火星探测车流动粘性数据进行０１７年，日本宇宙航空研究开发机构的ＭａｓａｔａｋｕＳｕｔｏｈ对月球车行驶性能采用数值行分析，首先确定轮地接触模型和土壤参数，以便将它们用于数值模拟；其次引，并通过压板和剪切测试识别土壤参数；最后，使用所识别的参数进行数值模拟［Ｍ京都大学Ｋｅｎｔａ邋Ｎｉｓｈｉｙａｍａ和Ｈｉｒｏｓｈｉ邋Ｎａｋａｓｈｉｍａ等研究了在干砂上驱动轮胎接触界向和切向应力，模型结合具有比例－积分－微分（ＰＩＤ，ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｉｎｔｅｇｒａｌ－ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ有限－离散元方法（ＦＥ－ＤＥＭ，Ｆｉｎｉｔｅ邋Ｅｌｅｍｅｎｔ－Ｄｉｓｃｒｅｔｅ邋Ｅｌｅｍｅｎｔ邋Ｍｅｔｈｏｄ）邋［２１］，如图邋１一种简单接触的反应平法，即将轮子圆周下半部分定义为计算段，该轮廓周期不；然后逐段计算接触应力；最后，应用法向和切向接触应力对旋转角度进行积分，经验参数）分析计算轮子的垂直接触载荷、总牵引力、净牵引力和行驶阻力等。逡逑

月球探测,机器人技术,国家重点实验室,车轮

随着我国空间探测技术突飞猛进地发展，国家对于月球探索活动越来越频繁，而逡逑每一次能够成功收集月球表面的未知信息都离不开月球探测车。所以，研究如何能够让探测车更逡逑好地适应月球环境显得至关重要。月球探测车大多是以轮式为主，如图１－３所示，但由于月球表逡逑面地质都是松软的状态，当月球探测车在行进过程中轮子极容易被？‘陷”下去，这将很大程度影响逡逑探月任务的完成。为保证月球探测车在月球表面能够安全平稳的运行，国内学者对机器人在松软逡逑地面上的通过性、稳定性和安全性等进行了一系列研宄，分析各式各样足式机器人的控制方式，逡逑构建机器人在松软沙基上行走时的动力学模型，以及轮足承压能力，以便更好地利用机器人的各逡逑－４－逡逑

空摆,支撑腿,运动过程,生物学

２．１．１逦Ｃ形轮腿的设计原理逡逑首先，通过观察发现，六足类昆虫（如蟑螂等等）在运动过程中，它们腿部一般处于两种情逡逑况，一种支撑，一种空摆，通过腿之间相互交替转变，来实现其各种运动形式。图２－１是以人们逡逑常见的甲壳虫运动为例，展示了其腿部如何交替实现整个运动过程。即把甲壳虫的六脚分为两组，逡逑１，邋４，邋５脚作为一组，２，邋３，邋６脚作为另一组。当１，邋４，邋５支撑身体前行时（腿后蹬），为支撑前逡逑行态，２，邋３，邋６脚离开地面前伸，为向前摆动态，为下一步做准备；同理当２，邋３，邋６支撑身体前逡逑行时（腿后蹬），为支撑前行态，１，４，邋５脚离开地而前伸，为向前摆动态，为下一步做准备，如逡逑此交替往复完成运动。逡逑音丨Ｓ３邋ＳＰ逡逑图２－１甲壳虫运动示例（Ｃ表示“空摆腿■表示“支撑腿”）逡逑从图２－１明显看出，在运动过程中每一组脚形成一个三角状结构，生物学研宄中称为“三足步逡逑态”结构，其具有极强的稳定性，这也就是为什么该类生物在类似沙漠的松软地面上可轻松自如逡逑地穿越，而不受限制的关键原因。再者，我们还关注了蜥蜴在沙漠中奔跑运动，它们并非以恒定逡逑速率前进

【相似文献】