水上行走机器人建模仿真及性能分析

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1、ThesisSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringMODELINGSIMULATIONANDPERFORMANCEANALYSISONWATERWALKINGROBOTbySunJianmingSupervisor:Prof.GaoTiehongMarch2012河北工业大学硕士学位论文水上行走机器人建模仿真及性能分析摘要水上行走机器人的研究和实现是基于仿生原型水黾在水面上行走的基本原理而进行的研究，制造出可以代替人类从事恶劣环境下工作的水上行走机器人，是水面运动机

2、器人研究领域的发展方向。水黾利用水的表面张力和疏水特性在水面上停留、滑行和跳跃，由于水的表面张力有限，机器人负载能力过小，很难实际任务，所以本文研究一种依靠浮力停留水面的水上行走机器人。该机器人采用电机驱动，四条支撑腿依据漂浮原理漂浮在水面上，中间两条划水腿模仿水黾中腿划水运动完成划水动作。国内外学者对水上行走机器人进行了一系列的研究，但目前仅限于实验室条件下，水上行走机器人最终实现独立在水面进行远距离自主工作目标还需要进行许多研究和试验工作。因此，开展水上行走机器人的研究和设计具有重要的科学意义和广阔的应用前景。主要研究内容如下：根据研究生物原型水黾得到的启发，提出水上行走机器人的

3、驱动方案，对该机构方案建立运动学模型，应用多刚体动力学仿真软件ADAMS进行运动学仿真分析，确定机构关键部件的具体尺寸，研究该机构的运动轨迹和运动学特性。基于有限元分析软件ANSYS对水上行走机器人整机进行静力学分析和模态分析，计算结构固有频率和振型，提取前十阶模态振型图和变形图进行分析研究，确定薄弱环节，对关键部件进行改进。基于虚拟样机技术对水上行走机器人在水面上划水运动前进这一过程进行联合仿真分析，研究ADMAS负责机械系统模型和MATLAB负责控制系统模型两者结合的虚拟样机仿真分析方法，仿真验证水上行走机器人结构设计的合理性、运动的高效性和功能实现的正确性，直观地反映出该联合仿

4、真平台对于虚拟样机运动学仿真的优势及实用价值。制作了水上行走机器人样机，以AT89S51单片机作为系统的核心进行了控制系统的开发。关键词：水黾，机器人，支撑腿，划水板，运动学分析，模态分析i水上行走机器人建模仿真及性能分析MODELINGSIMULATIONANDPERFORMANCEANALYSISONWATERWALKINGROBOTABSTRACTResearchofwaterwalkingrobotbasedonthebasicprinciplesofbionicprototypewaterstriderswalkonwater,tocreatewaterwalkingrob

5、otintheharshenvironmentforhuman,isthedevelopmentdirectionofthewatetwalkingrobots.Waterstridersstayonthewater,slidingandjumpingbasedonsurfacetensionofwaterandhydrophobicproperties,duetowatersurfacetensionislimited,therobotloadcapacityistoosmall,difficulttocompletetheactualtask,sothereaearchonwat

6、erwalkingrobotbaseonbuoyancytostaythewatersurface.Themotor-drivenrobotstayonwaterusingfoursupportinglegswithfloatingprinciple,completethewateractionusingthemiddletwolegsbasedonthewaterstrider.Domesticandforeignexpertsandscholarsonthewaterwalkingrobotwithaseriesofstudies,butonlyinlaboratorycondi

7、tions,waterwalkingrobotrequirealotofresearchandexperimentalworktoCompleteworkindependenceandautonomouslyinthewaterwithlongdistanceseventually.Therefore,toconductresearchanddesignofwaterwalkingrobothasimportantsignificanceandpotent