山羊蹄匣缓冲减振机理研究与足式机器人仿生缓冲足设计

发布时间：2020-10-27 01:37

　　 足式机器人受到非结构化地面的冲击振动时,其运动关节等机身重要零部件在控制等功能上会受到较大影响,提高足式机器人的足部的减振缓冲性能已成为精确控制和稳定运动的关键所在。本文基于生物在多变环境下具备自适应缓冲减振能力的事实,以山羊蹄匣为仿生原型,对其结构构型进行减振缓冲机理研究,基于减振单元的缓冲减振机理,进行足式机器人的减振缓冲足设计,为足式机器人的缓冲减振技术的开发与应用提供理论与技术支持。采用生物学研究方法,对羊蹄进行解剖,在宏观与微观两个层次上观测蹄匣的结构特性,结合蹄匣的外界载荷受力,分析蹄匣的缓冲与减振机理。由宏观观察结果可知,蹄匣的底部由凸起的硬质指甲与凹陷的软质趾枕组成,根部是凸起的硬质趾枕。由微观观测结果可知,蹄匣由两层组织层构成,内层是具备倾斜孔的组织层。通过蹄匣的触地面积与山羊质量的测量与计算,得知蹄匣的受到的硬质地面与软质地面的载荷压强分别约为1.34MPa和0.24MPa。根据动量定律可知,在相同作用力下,相对其他层,斜孔层的形变量大,因此延长了冲击作用接触时间,降低了冲击作用力,提高了缓冲性能。根据单自由度振动理论可知,相对其他层,斜孔层的刚度小,减小了固有频率,扩大了减振区域,提高了减振效果。基于山羊蹄匣的结构特征,建立了仿生减振单元模型,根据模型进行了单元模型的设计与制造。选取山羊蹄匣的仿生参数,进行模型的尺寸设计与三维建模。为完成减振单元的实物制造,根据蹄匣的生物材料特性,选择硅胶RTV-2作为减振单元的等效制造材料,选择采用浇注成型的加工方式。根据浇注成型的加工要求,进行了浇注模具的设计,并采用3D打印的方式完成浇注模具的实物制造。按照硅胶材料浇注的要求,完成减振单元的实物制造,为振动测试实验与压缩实验提供测试样件。为研究山羊蹄匣的减振机理,对减振单元进行振动测试实验与压缩实验,通过对比普通减振单元与仿生减振单元的振动测试结果与压缩实验结果,分析山羊蹄匣的减振机理。以减振单元在振动传递前后的最大振幅之比为指标,设计5-100Hz内振动传递率的振动测试实验方案。根据方案要求,进行减振单元夹具的设计、建模与加工制造,完成减振单元的振动测试平台的组装与振动测试实验系统的搭建。通过振动测试实验的结果表明,仿生减振单元的固有频率小于普通减振单元;减振单元的载荷受力越大,固有频率越小;振源振幅对减振单元的固有频率无影响;振源振幅越大,峰值传递率越大。通过减振单元的压缩实验结果表明,仿生减振单元的压缩刚度小于普通减振单元,并且倾斜度越小,压缩刚度越小。根据山羊蹄匣的宏观与微观的结构特征,进行了仿生缓冲减振缓冲足的设计。在山羊蹄匣内部的微观结构构型的基础上,完成了减振缓冲垫的设计与建模。在山羊蹄匣底面的宏观结构构型的基础上,完成足底的设计与建模。根据设计的减振缓冲垫与足底,完成减振缓冲足的整体设计与装配,为减振缓冲足的触地冲击仿真分析与减振仿真分析奠定基础。为检验减振缓冲足的缓冲与减振性能,完成了触地冲击仿真分析与振动特性仿真分析,通过瞬态动力学分析、模态分析与稳态动力学分析的结果,表明减振缓冲足的缓冲与减振性能。由瞬态动力学分析计算可知,在一次冲击过程之后,相对于普通减振缓冲足,仿生减振缓冲足的剩余动能小,并随着角度的减小,剩余动能变得更小,仿生减振缓冲足的摩擦耗能大于普通减振缓冲足,并随着倾斜度的降低,摩擦耗能消耗的能量更多。仿生减振缓冲足受到的冲击力小于普通减振缓冲足,并随着倾斜角的减小而降低,其作用时间随着倾斜角的降低而延长,表明斜孔特征提高了缓冲效果。根据模态分析计算可知,仿生减振缓冲足的前三阶固有频率小于普通减振缓冲足,并随着倾斜度的减小,固有频率值逐渐降低。由稳态动力学计算可知,相对于普通减振缓冲足,仿生减振缓冲足的位移响应大,并随着倾斜角的减小,位移响应增大,动柔度增大,动柔度越大,越利于振动的隔离与控制。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP242;Q811
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 足式机器人的抗冲击研究现状
        1.2.1 机器人足关节的研究现状
        1.2.2 机器人足底的研究现状
    1.3 足式机器人的减振研究现状
        1.3.1 主动减振研究现状
        1.3.2 被动减振研究现状
    1.4 仿生学在减振抗冲中的研究与应用
    1.5 本文主要研究内容
第2章 山羊蹄匣生物学特性研究及其缓冲减振机理分析
    2.1 山羊蹄匣的结构特性研究
        2.1.1 蹄匣宏观结构观察
        2.1.2 蹄匣微观结构观察
    2.2 山羊蹄匣的静载荷计算
        2.2.1 蹄匣触地面积测量
        2.2.2 山羊质量测量
        2.2.3 测量结果与计算
    2.3 羊蹄蹄匣的缓冲减振机理分析
        2.3.1 缓冲机理分析
        2.3.2 减振机理分析
    2.4 本章小结
第3章 基于蹄匣微观结构的减振单元设计及加工制造
    3.1 减振单元的结构设计
        3.1.1 减振单元的仿生参数选择
        3.1.2 减振单元的结构参数设计
        3.1.3 减振单元的三维模型建立
    3.2 减振单元的制造方式选择
    3.3 模具设计与制造
        3.3.1 模具盖板与中框的尺寸设计
        3.3.2 模具底座的尺寸设计
        3.3.3 模具的三维建模
        3.3.4 模具的 3D打印制造
    3.4 减振单元的浇注制造
    3.5 本章小结
第4章 减振单元的振动测试实验与压缩实验
    4.1 引言
    4.2 减振单元的振动测试实验
        4.2.1 振动测试系统的方案设计
        4.2.2 振动测试平台的设计与制造
        4.2.3 振动测试实验过程
        4.2.4 振动测试实验结果与分析
    4.3 减振单元的压缩实验
        4.3.1 压缩实验设备及过程
        4.3.2 压缩实验结果
        4.3.3 压缩实验分析
    4.4 本章小结
第5章 基于山羊蹄匣的减振缓冲足设计
    5.1 引言
    5.2 减振缓冲垫设计
        5.2.1 蹄匣微观结构的缓冲分析
        5.2.2 减振缓冲垫的设计建模
    5.3 足底设计
        5.3.1 蹄匣底部特点与功能
        5.3.2 足底设计的方法
        5.3.3 足底设计建模
    5.4 减振缓冲足整体设计与装配
    5.5 本章小结
第6章 减振缓冲足的有限元仿真分析
    6.1 引言
    6.2 有限元分析及Abaqus平台简介
        6.2.1 有限元分析原理
        6.2.2 Abaqus有限元功能简介
        6.2.3 Abaqus有限元计算过程
    6.3 减振缓冲足缓冲分析
        6.3.1 有限元模型的建立
        6.3.2 前处理
        6.3.3 运行与后处理
        6.3.4 冲击仿真的结果与分析
    6.4 减振缓冲足振动响应分析
        6.4.1 有限元模型建立
        6.4.2 前处理
        6.4.3 运行与后处理
        6.4.4 仿真计算结果
    6.5 本章小结
第7章 全文总结与工作展望
    7.1 全文总结
    7.2 工作展望
参考文献
导师及作者简介
致谢

【参考文献】

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本文编号：2857828