拱泥仿生機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其虛擬樣機(jī)研究.pdf

1、拱泥機(jī)器人是一種能在水下泥土環(huán)境中按照規(guī)劃軌跡完成攻打千斤洞作業(yè)的新型水下特種機(jī)器人，用來(lái)替代潛水員攻打千斤洞的手工作業(yè)。由于拱泥機(jī)器人是工作在海底泥土環(huán)境中，缺少必要的檢測(cè)和通訊手段，一旦在試驗(yàn)或工作中發(fā)生意外，勢(shì)必造成金錢(qián)和時(shí)間上的浪費(fèi)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種拱泥仿生機(jī)器人的總體技術(shù)方案，并對(duì)其虛擬樣機(jī)展開(kāi)了研究，為拱泥機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ)。應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)基于蠕動(dòng)原理拱泥仿生機(jī)器人是增強(qiáng)我國(guó)拱泥機(jī)器人自主研發(fā)和

2、技術(shù)創(chuàng)新能力的有效途徑。在拱泥仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)的初期階段針對(duì)其仿生機(jī)構(gòu)、海洋土力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及其控制策略進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與仿真研究，可對(duì)拱泥仿生機(jī)器人總體性能進(jìn)行匹配和整體優(yōu)化，這對(duì)于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低成本、改進(jìn)設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的理論意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下所述。 論文介紹了基于蠕動(dòng)原理拱泥仿生機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其虛擬樣機(jī)研究的背景與意義，概括了蠕動(dòng)爬行機(jī)器人以及國(guó)內(nèi)拱泥機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程的

3、角度出發(fā)，闡述了虛擬樣機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生背景、理論與方法及其工程應(yīng)用，基于仿生機(jī)器人的主要研究問(wèn)題即機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題、建模問(wèn)題以及控制策略問(wèn)題這三個(gè)方面，提出應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行拱泥仿生機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其虛擬樣機(jī)研究的主要內(nèi)容及其技術(shù)路線(xiàn)。 根據(jù)蚯蚓的生理結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)機(jī)理，提出了一種拱泥仿生機(jī)器人的總體技術(shù)方案；結(jié)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)拱泥機(jī)器人轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)展開(kāi)了深入的研究，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)值分析及計(jì)算機(jī)仿真研究。仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)具有推進(jìn)

4、、跟進(jìn)及轉(zhuǎn)向三個(gè)功能。同時(shí)基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的研究方法，進(jìn)行了轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)裝配方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并基于自頂向下的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)的參數(shù)化三維建模與自動(dòng)裝配方面的研究?；谧灾饕苿?dòng)機(jī)器人的控制策略分析的基礎(chǔ)上，提出了基于規(guī)劃與行為的混合式拱泥機(jī)器人控制體系結(jié)構(gòu)；結(jié)合拱泥機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，分析了拱泥機(jī)器人的控制策略，并設(shè)計(jì)了拱泥機(jī)器人的局部路徑規(guī)劃器。 論文介紹了海洋沉積土的來(lái)源與分布情況，以及淤泥質(zhì)粘土的工程性質(zhì)。應(yīng)

5、用土的抗剪強(qiáng)度理論等經(jīng)典土壤力學(xué)理論從宏觀上進(jìn)行拱泥機(jī)器人直行和轉(zhuǎn)向時(shí)的受力分析。應(yīng)用離散單元法進(jìn)行土壤動(dòng)態(tài)行為模擬，從細(xì)觀上揭示了土壤動(dòng)態(tài)行為的變化規(guī)律。在轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了拱泥機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，為拱泥機(jī)器人的虛擬樣機(jī)研究奠定了基礎(chǔ)。 通過(guò)分析復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)的信息與功能集成原理，建立了基于參數(shù)驅(qū)動(dòng)的虛擬樣機(jī)體系結(jié)構(gòu)，并采用實(shí)例分析的方式將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用在拱泥機(jī)器人虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)中。該結(jié)構(gòu)為企業(yè)開(kāi)發(fā)復(fù)雜產(chǎn)品、實(shí)施