一种具有抗侧滑特性的推进装置运动机理及实验研究

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生物界中的鱼、蛇依靠身体左右摆动与外界环境交互,通过这种往复运动将侧向力转化为前进的驱动力,整体运动不偏离原有的前进方向,具有“抑制或减弱横向侧滑运动”的特点,这种运动方式称为“抗侧滑特性运动”。鱼、蛇的往复运动方式适应了复杂的环境,有利于自身的运动,推进效率较高,研究人员通过研究鱼游动和蛇爬行的运动机理,研制了机器鱼、机器蛇等仿生机构。本课题在现有的研究基础上,提取了机器鱼、机器蛇摆动推进的运动特征,设计了一款具有“抗侧滑特性”运动特征的从动轮式机器人,探究了机械结构、关节输入控制及多因素耦合对机器人“抗侧滑特性”运动的影响,主要内容如下:(1)概括了抗侧滑特性运动的特征,提取了机器鱼、机器蛇、活力板等摆动推进的运动特征,确定了具有抗侧滑特性的推进装置的设计方案,完成了轮式机器人的机械结构设计和三维建模。(2)以从动轮式机器人为研究对象,进行了运动受力分析。基于无侧滑约束建立了机器人的运动学方程,利用拉格朗日方程建立了机器人的动力学模型,利用数学公式定义了机器人的推进效率,为后续的实验研究奠定了理论基础。(3)建立了轮式机器人的虚拟样机模型,利用ADAMS软件对轮式机器人进行了运动仿真,分别研究了舵机运动因素、工作环境因素、机械结构因素、多因素耦合对机器人运动性能的影响,确定了机器人的最佳运动性能及对应的机械结构参数、舵机控制参数,为后续的样机实验提供了参考。(4)搭建了从动轮式机器人的实验平台,完成了机械系统、控制系统、数据测量系统的设计。根据实验方案,完成了机器人在不同条件下的运动实验,将实验结果与仿真结果进行了对比,二者结果趋势一致,确定了机器人的最佳运动性能及对应影响因素的参数设置。实验结果表明:改进后的机器人运动性能得到明显提升。
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