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文档简介

仿海蟹机器人螯足设计及柔顺控制研究随着海洋开发的快速发展,针对浅滩环境的水文监控、动植物观测、能源开发和军事部署等方面的研究日渐成为科研热点,因此对具备作业能力的两栖机器人需求也越来越多。作为一种浅滩两栖生物,海蟹利用它的螯足可以在陆地和海底环境中完成御敌、捕食和辅助行走等“作业任务”。本文以海蟹的螯足为原型,研制一对可以搭载在仿海蟹机器人上的螯足,并完成理论分析和实验研究。通过对海蟹螯足的生理结构和运动特征分析,把海蟹的两个螯足简化为两个同构的三自由度开式链机构。依据仿海蟹机器人的应用环境、作业内容和搭载平台等方面的要求,提出仿海蟹机器人螯足的结构设计方案,包括驱动方式、关节结构、密封方案和关键零件等方面的确定。其中关节采用直流力矩电机加谐波减速器的驱动方式,各关节独立密封,提高了整机的可靠性。采用D-H法推导了仿海蟹机器人单螯足的运动学正逆解和雅可比矩阵,利用MATLAB/Robot工具箱验证了运动学求解的正确性。采用拉格朗日法建立仿海蟹机器人单螯足的动力学方程。首先对陆地环境的动力学方程进行推导和简化,依据切片理论推导水阻力矩和附加质量力矩的表达式,进而建立单螯足在水环境中的动力学模型。采用蒙特卡洛法对动力学方程进行了仿真计算,分析了水环境对螯足运动的影响。对两个螯足协调作业的约束问题进行了阐述。针对两个螯足搬运同一个物体时构成的闭链系统,研究了其中的位姿关系、速度关系和加速度关系。对两个螯足的共同工作空间进行了仿真计算,同时也研究了两个螯足的避碰检测问题。为了解决仿海蟹机器人螯足与环境接触时的力冲击问题,本文采用了主动柔顺控制方法。对螯足位置控制问题进行研究,在此基础上建立基于位置控制的阻抗控制模型。对单个螯足的阻抗控制进行仿真研究,分析目标阻抗参数对螯足柔顺特性的影响。完成仿海蟹机器人螯足样机的研制,并搭建实验平台。进行了单关节的打压实验和负载能力测试,验证了结构设计的合理性。为了验证各关节的跟随性能,进行了位置控制实验。完成了单螯足的阻抗控制实验,验证了目标阻抗参数和环境刚度对于螯足柔顺特性的

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