仿甲蟲鞘翅輕量化爬壁機器人研究.pdf

1、自然界中的壁虎、獨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、獨角仙等生物的這種運動能力為模仿對象的機器人具有廣闊的應用前景。相對于其它爬行機器人，履帶式仿生干性粘附爬行機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、運動穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，因而成為了爬行機器人的重點研究方向之一?，F(xiàn)有的履帶式干性粘附爬行機器人普遍存在自重大、負重能力較弱、三維空間表面運動穩(wěn)定性不強等局限性，亟需探索新的機器人設(shè)計與制造方法和理論，以突破粘附爬行機器人研制技術(shù)難點。本文深

2、入分析了機器人的爬行運動力學機理，構(gòu)建了仿生輕量化機構(gòu)模型，提出了仿生輕量化機身設(shè)計方法，研制了一種新型的仿甲蟲鞘翅的履帶式干性粘附爬行機器人，并通過實驗驗證了機器人具有輕量化特征、較大負載能力及較高的運動穩(wěn)定性，有效拓展了履帶式仿生干性粘附爬行機器人的應用領(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器人功能目標要求，如負重、翻轉(zhuǎn)爬壁和靈活轉(zhuǎn)向等，優(yōu)化設(shè)計了三種機器人機構(gòu)，并進行了機器人履帶構(gòu)型的改進設(shè)計和粘附材料

3、的選型;構(gòu)建了機器人的動力學模型，計算了機器人的負重能力，推導出機器人穩(wěn)定爬行的必要條件;建立了機器人的仿生輕量化模型，完成了仿生輕量化機身設(shè)計與仿真驗證;采用3D打印技術(shù)改進了粘彈性履帶的制作工藝，研制出三種機器人原理樣機，并進行了機器人的功能和力學特性測試實驗。
　　 全文在理論分析與技術(shù)實現(xiàn)方法上取得了較顯著的突破，完成了新型仿甲蟲鞘翅履帶式干性粘附爬行機器人的研制，取得的主要創(chuàng)新如下:
　　 1.利用粘彈性帶剝離

4、理論，分析了履帶在機器人運動過程中的形變機制，構(gòu)建了履帶剝離力-預應變關(guān)系和機器人法向力分布優(yōu)化模型，計算了機器人的理論最大負載及對應的履帶預應變和尾巴預壓力，明確了機器人穩(wěn)定爬行的必要條件，提出了機器人的兩種運動模式。
　　 2.以獨角仙鞘翅輕質(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)計了一種輕量化的仿生曲面機身。通過有限元模擬仿真分析，驗證了同等剛度的仿生機身相對于普通機身質(zhì)量減輕了36.73％。

5、　　 3.依據(jù)機器人的穩(wěn)定運動模型和仿生輕量化設(shè)計原理，研制了三臺仿甲蟲鞘翅輕量化爬壁機器人原理樣機。測試實驗結(jié)果顯示機器人樣機可以在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)過渡、90°到180°以及180°到90°內(nèi)側(cè)過渡、90°到0°外側(cè)過渡等），機器人可以適應的壁面材質(zhì)包括亞克力、紙張、木板、人造革等，天花板爬行時自重28.6g的機器人具有最大70g的負重能力。