拱泥仿生機器人系統設計及其虛擬樣機研究.pdf

1、拱泥機器人是一種能在水下泥土環(huán)境中按照規(guī)劃軌跡完成攻打千斤洞作業(yè)的新型水下特種機器人，用來替代潛水員攻打千斤洞的手工作業(yè)。由于拱泥機器人是工作在海底泥土環(huán)境中，缺少必要的檢測和通訊手段，一旦在試驗或工作中發(fā)生意外，勢必造成金錢和時間上的浪費。針對這一問題，本文提出了一種拱泥仿生機器人的總體技術方案，并對其虛擬樣機展開了研究，為拱泥機器人實驗樣機的研制奠定了基礎。應用虛擬樣機技術開發(fā)基于蠕動原理拱泥仿生機器人是增強我國拱泥機器人自主研發(fā)和

2、技術創(chuàng)新能力的有效途徑。在拱泥仿生機器人設計的初期階段針對其仿生機構、海洋土力學、運動學及其控制策略進行數學建模與仿真研究，可對拱泥仿生機器人總體性能進行匹配和整體優(yōu)化，這對于縮短產品開發(fā)周期、降低成本、改進設計質量、提高市場競爭力具有重要的理論意義和學術價值。論文的主要研究內容如下所述。 論文介紹了基于蠕動原理拱泥仿生機器人系統設計及其虛擬樣機研究的背景與意義，概括了蠕動爬行機器人以及國內拱泥機器人的研究現狀，從產品開發(fā)流程的

3、角度出發(fā)，闡述了虛擬樣機技術的產生背景、理論與方法及其工程應用，基于仿生機器人的主要研究問題即機構設計問題、建模問題以及控制策略問題這三個方面，提出應用虛擬樣機技術進行拱泥仿生機器人系統設計及其虛擬樣機研究的主要內容及其技術路線。 根據蚯蚓的生理結構及其運動機理，提出了一種拱泥仿生機器人的總體技術方案；結合并聯機構的特點，對拱泥機器人轉向關節(jié)展開了深入的研究，并進行運動學的數值分析及計算機仿真研究。仿真結果表明，轉向關節(jié)具有推進

4、、跟進及轉向三個功能。同時基于并聯機構工作空間的研究方法，進行了轉向關節(jié)裝配方案的優(yōu)化設計，并基于自頂向下的設計方法，進行了轉向關節(jié)的參數化三維建模與自動裝配方面的研究?；谧灾饕苿訖C器人的控制策略分析的基礎上，提出了基于規(guī)劃與行為的混合式拱泥機器人控制體系結構；結合拱泥機器人的整體結構和運動特點，分析了拱泥機器人的控制策略，并設計了拱泥機器人的局部路徑規(guī)劃器。 論文介紹了海洋沉積土的來源與分布情況，以及淤泥質粘土的工程性質。應

5、用土的抗剪強度理論等經典土壤力學理論從宏觀上進行拱泥機器人直行和轉向時的受力分析。應用離散單元法進行土壤動態(tài)行為模擬，從細觀上揭示了土壤動態(tài)行為的變化規(guī)律。在轉向關節(jié)運動學模型的基礎上，建立了拱泥機器人的運動學模型，為拱泥機器人的虛擬樣機研究奠定了基礎。 通過分析復雜產品虛擬樣機的信息與功能集成原理，建立了基于參數驅動的虛擬樣機體系結構，并采用實例分析的方式將該結構應用在拱泥機器人虛擬樣機的設計中。該結構為企業(yè)開發(fā)復雜產品、實施