仿水黾机器人机构及性能的分析的研究

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1、河北工业大学博士学位论文仿水黾机器人机构及性能分析研究摘要水黾可以在水面上停留并具有快速滑行和跳跃的活动机能。受水黾启发，人们对在水面这一非结构环境下能快速移动的仿水黾机器人的研究产生了浓厚兴趣。仿水黾机器人以其效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的优势将在军事侦察、环境监测、水体检测、地下管网检测等军事和民用等方面得到广泛应用。因此，开展仿水黾机器人的研究将具有重要的理论意义和实际应用价值。本文基于功能仿生原理，提出一种新型具有一定负载能力的仿水黾机器人新构型，从运动学和动力学建模与分析、水力学建模与分析、运动仿真分析和模态分析、刚-柔耦合驱动系统动力学建模与仿真、样机研制与控制系统设计

2、以及实验等进行了系统的分析与研究，取得了一定创新性的研究成果。1．在研究仿生原型水黾结构及运动特性基础上，提出一种三自由度输入并联解耦划水驱动仿水黾机器人新构型，建立驱动机构运动学与动力学模型、划水运动平衡性条件及机构参数综合条件，为机器人样机设计制作提供理论基础。该机器人以三个电磁铁作为驱动通过解耦控制两驱动腿实现划水运动控制，两驱动腿以差动方式实现零半径转弯运动，与电机方案相比，该机器人以电磁铁二元逻辑控制替代电机复杂伺服驱动，其具有驱动数量少、结构简单、易微小型化、机动性好、转弯灵活、划水效率高、控制简单等特点。2．考虑仿水黾机器人仿生原形特点，提出仿水黾机器人结构设计原则，建立机器人

3、虚拟样机仿真模型，进行驱动机构运动学仿真分析和各旋转副受力情况及机构运动能量曲线分析，验证机构设计合理性，指出结构设计的薄弱环节，为物理样机结构设计和改进提供理论依据。3．考虑仿水黾机器人划水频率与共振问题，研究机器人的仿真模态特性，重点分析机器人划水腿、驱动机构、整机的固有频率及相对位移云图和相对应力云图，分析虚拟样机结构设计中的薄弱环节，指出机器人运动应避开的工作频率，为机器人的结构改进设计和控制提供理论依据。4．考虑仿水黾机器人在水面环境工作这一特征，研究水对机器人运动的作用规律，建立仿水黾机器人漂浮平衡稳定性条件、机器人划水腿流场表达式、驱动机构水动力学表达式和机器人划水运动的水动力

4、学表达式，为机器人结构设计和实际控制提供理论依据。5．考虑仿水黾机器人驱动系统中轻型薄壁材料构件引起的小幅度柔性变形问题，本文提出将机器人驱动系统视为为刚-柔耦合多体机器人驱动系统的处理方法，建立考虑水接触力约束函数的机器人刚-柔耦合驱动系统动力学模型并进行仿真分析研究，结果表明划水腿小幅度柔性变形将影响机器人划水板的划水轨迹，该研究成果将为机器人今后实现高速运动控制和精确运行轨迹路线奠定理论基础。6．在上述理论研究基础上，研制仿水黾机器人样机，在实验室环境下对仿水黾机器人进行水面前进、转弯、负重实验，实验结果验证了本文提出的仿水黾机器人三自由度输入并联解耦划水驱动机构的有效性和本文理论分析

5、的正确性，该机器人具有良好的速度响应特性、运动灵活性，划水效率高、控制简单方便。关键词：水黾，仿生机器人，电磁驱动，划水平衡性，水面环境i仿水黾机器人机构及性能分析研究ANALYSISANDRESEARCHONMECHANISMANDPROPERTYOFTHEWATERSTRIDERROBOTABSTRACTWaterstriderisakindofinsectthathastheactivefunctionofstaying,slidingandleapingonwatersurface.Enlightenedbythiskindofinsect,peoplebecomemoreandmo

6、reinterestonthewaterstriderrobot,whichcanmovefastontheunstructuredwatersurface.Withtheadvantagessuchashighefficiency,goodmobility,lowernoiseandlittledisturbtotheenvironment,waterstriderrobotwillappliestomilitaryandcivilareasuchasmilitaryreconnaissance,environmentalmonitoringandwaterexamination.Ther

7、efore,theresearchofwaterstriderrobothastheoreticalsignificanceandpracticalvalue.Basedonthebionicfunctionprinciple,thispaperproposedakindofnewfloatingtypeofwaterstriderrobotstructurethathasacertainloadcapaci