仿螃蟹步行机构研制及其运动特性分析.x课件

仿螃蟹步行机构研制及其运动特性分析随着人类科技文明的不断进步,各种适合于非常规地面移动机构的开发已成为世界各国的关注的焦点,仿生步行机构的研究对于开发复杂地形的行走机构具有十分重要的意义。步行机构相对于轮式、履带式行走机构具有良好的通过性能和复杂地形适应能力,可以更好地在极端环境中发挥作用,因此被广泛应用于灾害救援、军事侦察、深空探测、交通运输等领域。自然界中有许多步行动物都具有出色的运动能力,能够在各种复杂环境中来去自如。国内外研究工作者希望通过寻找到步行动物身体系统的生理结构和控制机制,并应用在步行机构上,以此来提高步行机构的通过性能。本研究以在松软地面上生活的中华绒螯蟹为研究对象,基于中华绒螯蟹的步态信息及运动特性,结合非结构地面特点,运用工程仿生学原理,对非常规地面环境行走机构进行研究,旨在提高其在非常规地面通过性和稳定性。通过观察分析中华绒螯蟹在不同地面及不同状态下的行走特点,并结合中华绒螯蟹自身生理结构特性,从简化机构及其控制系统出发,通过模仿螃蟹的行走方式开发了一种结构简单、性能优越的仿螃蟹六足横向移动步行机构,并对其运动特性进行研究。论文主要进行以下几方面的工作:(1)分析中华绒螯蟹单个步足的运动特点,结合杆件类机构的末端轨迹,提出几种可行的仿螃蟹步行机构腿部结构,并利用多体动力学软件ADAMS对单腿机构进行仿真分析,最终选定六连杆机构作为步行机构的腿部结构。(2)除去螃蟹前端两只不参与行走的螯,以及螃蟹尾端第四对步足(L4和R4),将步行机构简化设计为六足式,腿部运动由六连杆机构实现。基于螃蟹身体是左右对称结构,本研究将六足均匀分布基体两侧,采用直流电机驱动,并利用三维建模软件CATIA完成整体机构的构建。(3)采用ADAMS对步行机构进行运动学仿真,生成视频文件,然后利用二维/三维运动分析系统Simimotion逐帧解析仿螃蟹步行机构的运动图像,得出一个完整周期内,步行机构各条腿的支撑相、摆动相和负荷因数。对各条腿进行编号,基于Simimotion获取的数据,得到步行机构在平路面行走时的步态时序图,与中华绒螯蟹在平整硬路面的步态时序图进行对比,结果表明两者具有很高的相似度,相似度达到75%。(4)在负载条件下,对仿螃蟹步行机构初始样机进行测试,结果表明步行机构在负载为5.5kg的条件下,能完成预期行走动作。为分析仿螃蟹步行机构行走特性,在不同粗糙度地面上开展与轮式模型车的通过性对比试验,利用运动图像解析软件Simimotion完成了对试验数据的处理,结果表明针对不同地形仿螃蟹步行机构具有较好的适应能力,在大粗糙度硬地面(Ra=4.54)和松散干沙地面(Ra=2.10)上通过性能良好;在农业生产活动中所涉及的粗糙地面上,仿螃蟹步行机构较轮式模型车的平顺性好;仿螃蟹步行机构和轮式模型车在小粗糙度地面(Ra=2.91)上沿X轴方向(横向)位移波动极差和最大加速率比较接近,分别相差5%和7%。沿Z轴方向(垂向)二者区别较大,仿螃蟹步行机构位移和加速率最大值较轮式模型车分别降低75%和26%。(5)为进一步提高仿螃蟹步行机构的运动平顺性。采用CATIA建立不同腿部杆件尺寸的步行机构三维实体模型,并在ADAMS中完成运动学仿真,导出步行机构各腿关节位移和角度数据,反算得到特征点的波动特性参数,根据需求建立多种目标函数,通过运行多目标、多参数的优化软件从而获得最优的腿部杆件设计参数,最终优化结果为:GF=31.6mm,EF=36mm,EH=115mm。(6)针对优化后的仿螃蟹步行机构,进行与初始原型在4种地面的对比试验,并利用三维运动图像分析软件Simimotion对运动视频信息进行解析,导出运动学参数,计算得到各个性能指标和目标函数值。结果表明优化后的仿螃蟹步行机构在4种地面上目标函数值总体上较初始样机好,部分目标函数值降低超过50%,充分体现优化后的仿螃蟹步行机构具有更好的通过性