仿生软体攀爬机器人的建模、分析与实验
发布时间：2022-09-24 22:47
为模仿生物界中爬行动物卓越的攀爬能力,本文面向软体机器人优异的体质、结构、驱动、控制等性能,研究软体攀爬机器人相关的理论与技术问题。围绕仿尺蠖软体攀爬机器人的两大核心问题:躯体驱动和末端附着,本文从局部的设计制备和理论分析到整机的攀爬实现进行了详细的探索和研究,其主要内容和取得的成果如下:1.为掌握软体驱动器的性能,对其结构进行范化、建模和对比分析。模仿细长软体生物优异的结构特征,提出躯体的理想结构范型。根据所提出的结构范型,建立一般的运动学模型,并推导机器人对任意曲线形态复现的映射算法,以及分析各个结构参数对形态复现的影响。就当前较常见的四种气动软体驱动器构型:单腔、外分多腔、内分多腔和三通全向,通过详细分析各自的基本结构、设计和制备,结合有限元仿真分析和实验测定的结果,得出外分多腔结构为当中性能最优的一种结构。以上软体驱动器的结构范型和结构对比,可用于指导软体攀爬机器人驱动器的设计、建模和分析。2.为解决机器人爬行过程中因重力或外力载荷造成本体出现非期望的被动变形问题,如躯体往弯曲平面以外折弯。本文采用一种刚柔软结合的设计方法,在普通驱动器中加入了各向异性的约束材料或结构,以抑制异...
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 仿生对象
1.3 软体驱动器的研究现状
1.3.1 运动形式
1.3.2 驱动方式
1.4 软体末端执行器的研究现状
1.5 软体爬行机器人的国内外研究现状
1.5.1 爬行环境
1.5.2 爬行机理
1.6 课题来源和主要研究内容
第二章 软体驱动器建模、结构分析与实现
2.1 引言
2.2 躯体的理想结构范型
2.2.1 结构范型
2.2.2 运动学
2.2.3 形态复现与相似性
2.2.4 性能仿真分析
2.3 典型气动驱动器的对比分析
2.3.1 结构设计与实现
2.3.2 仿真与实验分析
2.4 本章小结
第三章 刚软耦合躯体的平面性设计
3.1 动机与需求
3.2 平面弯曲驱动器
3.3 平面性能测试
3.3.1 平面与非平面
3.3.2 平面弯曲运动
3.3.3 弯曲摆力
3.4 本章小结
第四章 软体抓夹器设计及其建模与分析
4.1 引言
4.2 结构设计与建模
4.2.1 仿生结构设计
4.2.2 结构建模
4.3 夹持适应性与形封闭
4.3.1 抓夹过程
4.3.2 夹持分类及形封闭
4.4 夹持稳定性
4.4.1 夹持力平衡
4.4.2 力平衡评估
4.5 仿真与实验
4.5.1 性能测定
4.5.2 夹持多样性
4.5.3 夹持质量评估Ⅰ:球体
4.5.4 夹持质量评估Ⅱ:圆柱体
4.6 本章小结
第五章 软体攀爬机器人的实现及实验分析
5.1 引言
5.2 平面"Ω”躯体
5.2.1 “Ω”躯体的仿生建模
5.2.2 综合设计
5.3 内膨胀夹持末端
5.4 整机攀爬策略与分析
5.4.1 基本攀爬步态
5.4.2 重力平衡与校核
5.5 实验研究
5.5.1 S-Climbot原型机系统
5.5.2 机体性能
5.5.3 攀爬实验
5.6 本章小结
总结与展望
参考文献
攻读博士学位期间承担的科研任务与取得的学术成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]软体机器人驱动研究现状[J]. 张忠强,邹娇,丁建宁,宋振玲,程广贵,王晓东,郭立强. 机器人. 2018(05)
[2]连续软体机器人的结构范型与形态复现[J]. 苏满佳,张逸鸿,谢荣臻,朱海飞,管贻生,毛世鑫. 机器人. 2018(05)
[3]软体机器人:结构、驱动、传感与控制[J]. 王田苗,郝雨飞,杨兴帮,文力. 机械工程学报. 2017(13)
[4]一种线状要素几何相似性度量方法及其应用[J]. 安晓亚,刘平芝,杨云,侯溯源. 武汉大学学报(信息科学版). 2015(09)
[5]浅析BigDog四足机器人[J]. 丁良宏,王润孝,冯华山,李军. 中国机械工程. 2012(05)
[6]连续型机器人研究综述[J]. 孙立宁,胡海燕,李满天. 机器人. 2010(05)
[7]仿生连续体机器人的研究现状和展望[J]. 赵强,岳永恒. 机械设计. 2009(08)
[8]仿壁虎机器人研究综述[J]. 王田苗,孟偲,裴葆青,戴振东. 机器人. 2007(03)
[9]仿生扑翼飞行机器人翅型的研制与实验研究[J]. 王姝歆,陈国平,周建华,颜景平. 实验力学. 2006(03)
[10]国外仿人机器人发展概况[J]. 李允明. 机器人. 2005(06)
博士论文
[1]爪刺式爬壁机器人仿生机理与系统研究[D]. 刘彦伟.中国科学技术大学 2015
[2]辐射对称仿生柔体机器人协同推进机理及实现技术[D]. 毛世鑫.中国科学技术大学 2014
本文编号：3681008
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 仿生对象
1.3 软体驱动器的研究现状
1.3.1 运动形式
1.3.2 驱动方式
1.4 软体末端执行器的研究现状
1.5 软体爬行机器人的国内外研究现状
1.5.1 爬行环境
1.5.2 爬行机理
1.6 课题来源和主要研究内容
第二章 软体驱动器建模、结构分析与实现
2.1 引言
2.2 躯体的理想结构范型
2.2.1 结构范型
2.2.2 运动学
2.2.3 形态复现与相似性
2.2.4 性能仿真分析
2.3 典型气动驱动器的对比分析
2.3.1 结构设计与实现
2.3.2 仿真与实验分析
2.4 本章小结
第三章 刚软耦合躯体的平面性设计
3.1 动机与需求
3.2 平面弯曲驱动器
3.3 平面性能测试
3.3.1 平面与非平面
3.3.2 平面弯曲运动
3.3.3 弯曲摆力
3.4 本章小结
第四章 软体抓夹器设计及其建模与分析
4.1 引言
4.2 结构设计与建模
4.2.1 仿生结构设计
4.2.2 结构建模
4.3 夹持适应性与形封闭
4.3.1 抓夹过程
4.3.2 夹持分类及形封闭
4.4 夹持稳定性
4.4.1 夹持力平衡
4.4.2 力平衡评估
4.5 仿真与实验
4.5.1 性能测定
4.5.2 夹持多样性
4.5.3 夹持质量评估Ⅰ:球体
4.5.4 夹持质量评估Ⅱ:圆柱体
4.6 本章小结
第五章 软体攀爬机器人的实现及实验分析
5.1 引言
5.2 平面"Ω”躯体
5.2.1 “Ω”躯体的仿生建模
5.2.2 综合设计
5.3 内膨胀夹持末端
5.4 整机攀爬策略与分析
5.4.1 基本攀爬步态
5.4.2 重力平衡与校核
5.5 实验研究
5.5.1 S-Climbot原型机系统
5.5.2 机体性能
5.5.3 攀爬实验
5.6 本章小结
总结与展望
参考文献
攻读博士学位期间承担的科研任务与取得的学术成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]软体机器人驱动研究现状[J]. 张忠强,邹娇,丁建宁,宋振玲,程广贵,王晓东,郭立强. 机器人. 2018(05)
[2]连续软体机器人的结构范型与形态复现[J]. 苏满佳,张逸鸿,谢荣臻,朱海飞,管贻生,毛世鑫. 机器人. 2018(05)
[3]软体机器人:结构、驱动、传感与控制[J]. 王田苗,郝雨飞,杨兴帮,文力. 机械工程学报. 2017(13)
[4]一种线状要素几何相似性度量方法及其应用[J]. 安晓亚,刘平芝,杨云,侯溯源. 武汉大学学报(信息科学版). 2015(09)
[5]浅析BigDog四足机器人[J]. 丁良宏,王润孝,冯华山,李军. 中国机械工程. 2012(05)
[6]连续型机器人研究综述[J]. 孙立宁,胡海燕,李满天. 机器人. 2010(05)
[7]仿生连续体机器人的研究现状和展望[J]. 赵强,岳永恒. 机械设计. 2009(08)
[8]仿壁虎机器人研究综述[J]. 王田苗,孟偲,裴葆青,戴振东. 机器人. 2007(03)
[9]仿生扑翼飞行机器人翅型的研制与实验研究[J]. 王姝歆,陈国平,周建华,颜景平. 实验力学. 2006(03)
[10]国外仿人机器人发展概况[J]. 李允明. 机器人. 2005(06)
博士论文
[1]爪刺式爬壁机器人仿生机理与系统研究[D]. 刘彦伟.中国科学技术大学 2015
[2]辐射对称仿生柔体机器人协同推进机理及实现技术[D]. 毛世鑫.中国科学技术大学 2014
本文编号：3681008
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