仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)研制及其運(yùn)動(dòng)特性分析.x課件

仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)研制及其運(yùn)動(dòng)特性分析隨著人類科技文明的不斷進(jìn)步,各種適合于非常規(guī)地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)已成為世界各國(guó)的關(guān)注的焦點(diǎn),仿生步行機(jī)構(gòu)的研究對(duì)于開(kāi)發(fā)復(fù)雜地形的行走機(jī)構(gòu)具有十分重要的意義。步行機(jī)構(gòu)相對(duì)于輪式、履帶式行走機(jī)構(gòu)具有良好的通過(guò)性能和復(fù)雜地形適應(yīng)能力,可以更好地在極端環(huán)境中發(fā)揮作用,因此被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害救援、軍事偵察、深空探測(cè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。自然界中有許多步行動(dòng)物都具有出色的運(yùn)動(dòng)能力,能夠在各種復(fù)雜環(huán)境中來(lái)去自如。國(guó)內(nèi)外研究工作者希望通過(guò)尋找到步行動(dòng)物身體系統(tǒng)的生理結(jié)構(gòu)和控制機(jī)制,并應(yīng)用在步行機(jī)構(gòu)上,以此來(lái)提高步行機(jī)構(gòu)的通過(guò)性能。本研究以在松軟地面上生活的中華絨螯蟹為研究對(duì)象,基于中華絨螯蟹的步態(tài)信息及運(yùn)動(dòng)特性,結(jié)合非結(jié)構(gòu)地面特點(diǎn),運(yùn)用工程仿生學(xué)原理,對(duì)非常規(guī)地面環(huán)境行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究,旨在提高其在非常規(guī)地面通過(guò)性和穩(wěn)定性。通過(guò)觀察分析中華絨螯蟹在不同地面及不同狀態(tài)下的行走特點(diǎn),并結(jié)合中華絨螯蟹自身生理結(jié)構(gòu)特性,從簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)出發(fā),通過(guò)模仿螃蟹的行走方式開(kāi)發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越的仿螃蟹六足橫向移動(dòng)步行機(jī)構(gòu),并對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究。論文主要進(jìn)行以下幾方面的工作:(1)分析中華絨螯蟹單個(gè)步足的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),結(jié)合桿件類機(jī)構(gòu)的末端軌跡,提出幾種可行的仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)腿部結(jié)構(gòu),并利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)單腿機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,最終選定六連桿機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)的腿部結(jié)構(gòu)。(2)除去螃蟹前端兩只不參與行走的螯,以及螃蟹尾端第四對(duì)步足(L4和R4),將步行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)為六足式,腿部運(yùn)動(dòng)由六連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)?；隗π飞眢w是左右對(duì)稱結(jié)構(gòu),本研究將六足均勻分布基體兩側(cè),采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),并利用三維建模軟件CATIA完成整體機(jī)構(gòu)的構(gòu)建。(3)采用ADAMS對(duì)步行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,生成視頻文件,然后利用二維/三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)Simimotion逐幀解析仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)圖像,得出一個(gè)完整周期內(nèi),步行機(jī)構(gòu)各條腿的支撐相、擺動(dòng)相和負(fù)荷因數(shù)。對(duì)各條腿進(jìn)行編號(hào),基于Simimotion獲取的數(shù)據(jù),得到步行機(jī)構(gòu)在平路面行走時(shí)的步態(tài)時(shí)序圖,與中華絨螯蟹在平整硬路面的步態(tài)時(shí)序圖進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明兩者具有很高的相似度,相似度達(dá)到75%。(4)在負(fù)載條件下,對(duì)仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)初始樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明步行機(jī)構(gòu)在負(fù)載為5.5kg的條件下,能完成預(yù)期行走動(dòng)作。為分析仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)行走特性,在不同粗糙度地面上開(kāi)展與輪式模型車的通過(guò)性對(duì)比試驗(yàn),利用運(yùn)動(dòng)圖像解析軟件Simimotion完成了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,結(jié)果表明針對(duì)不同地形仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)具有較好的適應(yīng)能力,在大粗糙度硬地面(Ra=4.54)和松散干沙地面(Ra=2.10)上通過(guò)性能良好;在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中所涉及的粗糙地面上,仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)較輪式模型車的平順性好;仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)和輪式模型車在小粗糙度地面(Ra=2.91)上沿X軸方向(橫向)位移波動(dòng)極差和最大加速率比較接近,分別相差5%和7%。沿Z軸方向(垂向)二者區(qū)別較大,仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)位移和加速率最大值較輪式模型車分別降低75%和26%。(5)為進(jìn)一步提高仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平順性。采用CATIA建立不同腿部桿件尺寸的步行機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型,并在ADAMS中完成運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,導(dǎo)出步行機(jī)構(gòu)各腿關(guān)節(jié)位移和角度數(shù)據(jù),反算得到特征點(diǎn)的波動(dòng)特性參數(shù),根據(jù)需求建立多種目標(biāo)函數(shù),通過(guò)運(yùn)行多目標(biāo)、多參數(shù)的優(yōu)化軟件從而獲得最優(yōu)的腿部桿件設(shè)計(jì)參數(shù),最終優(yōu)化結(jié)果為:GF=31.6mm,EF=36mm,EH=115mm。(6)針對(duì)優(yōu)化后的仿螃蟹步行機(jī)構(gòu),進(jìn)行與初始原型在4種地面的對(duì)比試驗(yàn),并利用三維運(yùn)動(dòng)圖像分析軟件Simimotion對(duì)運(yùn)動(dòng)視頻信息進(jìn)行解析,導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),計(jì)算得到各個(gè)性能指標(biāo)和目標(biāo)函數(shù)值。結(jié)果表明優(yōu)化后的仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)在4種地面上目標(biāo)函數(shù)值總體上較初始樣機(jī)好,部分目標(biāo)函數(shù)值降低超過(guò)50%,充分體現(xiàn)優(yōu)化后的仿螃蟹步行機(jī)構(gòu)具有更好的通過(guò)性