仿甲蟲(chóng)鞘翅輕量化爬壁機(jī)器人研究.pdf

1、自然界中的壁虎、獨(dú)角仙等生物可以在非結(jié)構(gòu)環(huán)境的三維空間表面自由行走，以壁虎、獨(dú)角仙等生物的這種運(yùn)動(dòng)能力為模仿對(duì)象的機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景。相對(duì)于其它爬行機(jī)器人，履帶式仿生干性粘附爬行機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而成為了爬行機(jī)器人的重點(diǎn)研究方向之一?，F(xiàn)有的履帶式干性粘附爬行機(jī)器人普遍存在自重大、負(fù)重能力較弱、三維空間表面運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性不強(qiáng)等局限性，亟需探索新的機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造方法和理論，以突破粘附爬行機(jī)器人研制技術(shù)難點(diǎn)。本文深

2、入分析了機(jī)器人的爬行運(yùn)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，構(gòu)建了仿生輕量化機(jī)構(gòu)模型，提出了仿生輕量化機(jī)身設(shè)計(jì)方法，研制了一種新型的仿甲蟲(chóng)鞘翅的履帶式干性粘附爬行機(jī)器人，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人具有輕量化特征、較大負(fù)載能力及較高的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，有效拓展了履帶式仿生干性粘附爬行機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　 本文的主要內(nèi)容包括:根據(jù)履帶式干性粘附爬行機(jī)器人功能目標(biāo)要求，如負(fù)重、翻轉(zhuǎn)爬壁和靈活轉(zhuǎn)向等，優(yōu)化設(shè)計(jì)了三種機(jī)器人機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了機(jī)器人履帶構(gòu)型的改進(jìn)設(shè)計(jì)和粘附材料

3、的選型;構(gòu)建了機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了機(jī)器人的負(fù)重能力，推導(dǎo)出機(jī)器人穩(wěn)定爬行的必要條件;建立了機(jī)器人的仿生輕量化模型，完成了仿生輕量化機(jī)身設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證;采用3D打印技術(shù)改進(jìn)了粘彈性履帶的制作工藝，研制出三種機(jī)器人原理樣機(jī)，并進(jìn)行了機(jī)器人的功能和力學(xué)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
　　 全文在理論分析與技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法上取得了較顯著的突破，完成了新型仿甲蟲(chóng)鞘翅履帶式干性粘附爬行機(jī)器人的研制，取得的主要?jiǎng)?chuàng)新如下:
　　 1.利用粘彈性帶剝離

4、理論，分析了履帶在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的形變機(jī)制，構(gòu)建了履帶剝離力-預(yù)應(yīng)變關(guān)系和機(jī)器人法向力分布優(yōu)化模型，計(jì)算了機(jī)器人的理論最大負(fù)載及對(duì)應(yīng)的履帶預(yù)應(yīng)變和尾巴預(yù)壓力，明確了機(jī)器人穩(wěn)定爬行的必要條件，提出了機(jī)器人的兩種運(yùn)動(dòng)模式。
　　 2.以獨(dú)角仙鞘翅輕質(zhì)高剛構(gòu)形特征為仿生原型，提取仿生參數(shù)，建立仿生輕量化模型，設(shè)計(jì)了一種輕量化的仿生曲面機(jī)身。通過(guò)有限元模擬仿真分析，驗(yàn)證了同等剛度的仿生機(jī)身相對(duì)于普通機(jī)身質(zhì)量減輕了36.73％。

5、　　 3.依據(jù)機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)模型和仿生輕量化設(shè)計(jì)原理，研制了三臺(tái)仿甲蟲(chóng)鞘翅輕量化爬壁機(jī)器人原理樣機(jī)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示機(jī)器人樣機(jī)可以在0～360°壁面以任意角度爬行和轉(zhuǎn)向，并具有多種典型角度之間的翻轉(zhuǎn)能力（包括0°到90°以及90°到0°內(nèi)側(cè)過(guò)渡、90°到180°以及180°到90°內(nèi)側(cè)過(guò)渡、90°到0°外側(cè)過(guò)渡等），機(jī)器人可以適應(yīng)的壁面材質(zhì)包括亞克力、紙張、木板、人造革等，天花板爬行時(shí)自重28.6g的機(jī)器人具有最大70g的負(fù)重能力。