仿壁虎机器人负表面爬行的步态规划及运动仿真分析.pdf

中图分类号:TP242 论文编号:102870512-S141 学科分类号:080203 硕士学位论文仿壁虎机器人负表面爬行的步态规划及运动仿真(国家863高技术研究发展计划No:2007ZA04Z201 、51105201 ) 研究生姓名陈建敏学科、专业机械设计及理论研究方向计算机辅助仿生设计指导教师戴振东教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一二年三月 II Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Mechanical and Electrical Engineering Gait Plan and otion Simulation of Gecko Robot Moving on the Ceiling (SupportedByThe National HighTechnology Research and Development Programof ChinaNo:2007ZA04Z201, National Natural Science Foundation No:60910007、 51105201 andChina’s Post Doctoral Scientific FoundationNo:20100471339) A Thesis in Mechanical Engineering by ChenJianmin Advised by Zhendong Submitted in Partial Fulfillment ofthe Requirements for the Degree of Master of Engineering March, 2012 承诺书本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下, 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名: 日期: 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘要壁虎的运动能力很强,能够在地面、墙面和负表面(例如天花板)上自由爬行,可以在三维空间灵活运动。通过分析和研究壁虎精巧的结构、运动原理和行为方式,在设计时使仿壁虎机器人具有壁虎的运动特点。仿壁虎机器人是仿生机器人的重要分支和研究热点,具有良好的发展和应用前景。本文首先介绍了国内外爬壁机器人的研究情况。受壁虎的骨骼结构启发设计了新一代仿壁虎机器人,并且详细介绍机器人的结构,并进行了运动学分析。仿壁虎机器人要实现在墙面甚至天花板爬行,要求它的腿能够协调运动,因此对步态具有更高要求。基于SimMechanics建立仿壁虎机器人的步态规划模型,通过分析其运动特点设定了17个可调的步态参数,它可以规划多种步态。使用步态规划模型规划一组对角和三角步态,仿真实验表明了这种步态规划方法具有便捷性和精确性,为足式机器人的步态生成提供新的途径。同样基于SimMechanics建立仿壁虎机器人的动力学模型,壁虎脚掌具有“范德华力”的干粘附特性,采用变弹性阻尼模型构建粘附力模型,并计算具有各向异性的脚掌粘附力。利用规划的负表面步态进行在天花板的粘附运动仿真,仿真实验表明仿壁虎机器人能按照预定的步态实现在天花板的粘附运动,为将来的天花板爬行实验提供参考数据。对仿壁虎机器人在天花板爬行的稳定性问题进行初步研究,探讨在天花板稳定爬行的条件,并提出静态抗倾系数。结合仿真结果,分析脚掌在运动过程中的受力,发现机器人在天花板爬行时的非稳定性因素主要来自脚掌粘附支撑相和脱附摆动相的交替处。最后基于Quanser半实物仿真平台实现了对仿壁虎机器人的运动控制,并进行在地面和竖直面的爬行实验,验证了步态规划方法的可行性,为负表面运动实验提供参考。关键词:仿壁虎机器人,步态规划,负表面爬行,运动仿真,半实物仿真仿壁虎机器人负表面爬行的步态规划及运动仿真 II ABSTRACT Gecko has good kinematics dexterityand can move flexibly on the surfacesof different normal directionssuch as ground,steep walland ceil