仿海蟹機器人運動性能分析及實驗研究.pdf

1、在自然界中，兩棲環(huán)境充滿了不可測因素，是典型的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，機器人在兩棲環(huán)境中作業(yè)時往往不僅要面對陸地上高低不平的巖石和松軟的沙礫，還要面對水下的暗流或浮游生物，這種獨特的環(huán)境因素給傳統(tǒng)的陸地及水下機器人帶來了更高的挑戰(zhàn)。而傳統(tǒng)的機器人往往只具備陸地或水下一種作業(yè)能力，或在兩棲環(huán)境下作業(yè)效率較低。生物海蟹作為一種淺灘兩棲生物，既能夠以步行足實現(xiàn)陸地和海底爬行，也能夠以游泳足在水中游動，具備優(yōu)越的兩棲運動能力。本文以生物海蟹為仿生原型，通

2、過對海蟹生理結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律的觀察和分析，研制一種既能夠以步行足實現(xiàn)陸地爬行，又能夠以游泳足實現(xiàn)水下游動的仿海蟹兩棲機器人。本文在仿海蟹機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用仿真和實驗的手段對其陸地和水下運動性能進(jìn)行了研究。
　　本文在對仿生原型的充分觀察的基礎(chǔ)上，設(shè)計了具有水陸兩棲運動能力的仿海蟹機器人樣機。通過對生物海蟹的生理結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律進(jìn)行分析，得出海蟹各部位的作用和構(gòu)造。參照海蟹身體外殼、軀干及肢體的布置方式，設(shè)計了仿海蟹機器人的

3、機體。通過對生物海蟹步行足的觀察和分析，以并聯(lián)五桿機構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計了機器人的步行足，并對比了串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)在相同負(fù)載下的關(guān)節(jié)扭矩。對海蟹游泳足進(jìn)行簡化和提取，設(shè)計了具有三個自由度的機器人游泳足，能夠在較大程度上模仿海蟹游泳足的運動規(guī)律。
　　本文針對仿海蟹機器人步行足的運動性能展開了研究，建立了步行足并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)方程，在此基礎(chǔ)上，求解了單個步行足的運動空間和速度雅可比矩陣；作為仿海蟹機器人實現(xiàn)陸地和水下的執(zhí)行單元，步

4、行足除了要為整個機器人提供支撐以外，更重要的是決定了機器人的運動性能。論文通過ADAMS軟件對機器人平面直行的運動性能進(jìn)行了分析，并通過ADAMS和MATLAB搭建了整機的聯(lián)合仿真平臺，以轉(zhuǎn)向為例對步行足的運動性能進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明機器人步行足設(shè)計合理，能夠滿足機器人的運動要求。
　　游泳足是機器人的主要水下運動單元，不同的運動規(guī)律可以實現(xiàn)不同的游動效果。論文通過計算流體力學(xué)方法分析了游泳足的水下推進(jìn)性能，建立了仿海蟹機器人整機

5、自主游動的水動力學(xué)模型，并通過 FLUENT軟件對機器人自主游動的游動速度、能耗等參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，同時對比了不同頻率以及單翼約束時，游泳足的水動力學(xué)性能。
　　最后對單條步行足進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗證實驗，確定在步行足各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的流暢，以及運動過程中不會產(chǎn)生碰撞或干涉等問題；對機器人的水下游動性能進(jìn)行了實驗，將自主游動仿真和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，還對左右兩個游泳足協(xié)調(diào)和交錯拍動下機器人運動姿態(tài)和性能進(jìn)行了對比，進(jìn)一步闡述了機器人的水下游動