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基于干粘附技术的仿壁虎机器人负表面粘附运动研究

石叶  
【摘要】:壁虎在任意表面具有卓越的攀爬能力,其稳定爬行所需的粘附力来自于脚底刚毛和接触面间形成的分子间作用力——范德华力。与其他吸附方式相比,干粘附技术有粘附过程简单、无噪声、可重复使用、应用范围广等优点,而现有的基于干粘附技术的仿壁虎机器人大都只实现了在垂直表面上的粘附爬行,因此实现机器人在负表面(天花板)稳定粘附运动是仿壁虎机器人模拟壁虎在三维空间表面无障碍运动的重要环节和技术难点。研制可在负表面稳定粘附的仿壁虎机器人,使该机器人具备三维空间表面无障碍运动能力,在反恐侦查、狭小空间检测、航天器表面在轨维护等领域具有重要的研究意义和应用价值。本文以大壁虎为仿生对象,对壁虎的粘/脱附运动方式进行观察和分析,仿生设计了具有自主粘/脱附功能的机器人脚掌。建立仿壁虎机器人运动坐标体系,对其进行运动学正/逆解分析,求得运动学解析式,通过MATLAB/SimMechanics仿真验证正/逆解公式推导的正确性。对干粘附材料的粘附性能进行研究,分析其粘附力与接触面积的关系,提出了干粘附材料的粘附模型。设计多种新型脚趾结构,测试和分析了预压力、脚趾结构与脚趾运动模式对仿生脚掌最大粘附力的影响;测试了脚趾结构、碰撞速度、碰撞前脚趾形变状态与脚掌碰撞后粘附力之间的关系,获得适合仿壁虎机器人在负表面稳定粘附运动的最优参数。分析仿壁虎机器人脚掌与接触面碰撞力的变化,采用弹簧阻尼模型模拟足端粘附接触的力学特性,设计多种运动步态,实现了仿壁虎机器人负表面稳定粘/脱附运动的仿真,验证了弹簧阻尼模型的可行性;规划和设计仿壁虎机器人负表面运动控制策略,开展了仿壁虎机器人样机的负表面稳定粘附运动实验,实验结果表明:仿壁虎机器人可以在负表面上实现稳定的粘附爬行。在此基础上,最终实现了仿壁虎机器人在全空间表面无障碍运动,以上实验验证了脚掌结构设计、步态规划和运动控制方法的可行性,可为全空间无障碍运动的干粘附机器人奠定理论与实验基础。


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