基于无网格方法的仿海蟹机器人游动性能分析及实验研究

论文摘要

在自然界中,两栖环境是典型的非结构环境,机器人在两栖环境中作业时往往不仅要面对陆地上高低不平的岩石和松软的沙砾,还要面对水下的暗流或浮游生物,这种独特的环境因素给传统的陆地及水下机器人带来了更高的挑战。生物海蟹作为一种浅滩两栖生物,具备优越的两栖运动能力。本文以生物海蟹为仿生原型,通过对海蟹生理结构和运动规律的观察和分析,研制出仿海蟹机器人。本文在仿海蟹机器人的结构设计的基础上,利用仿真和实验的手段对其水下运动性能进行了研究。本文中的无网格方法采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,是广泛应用在解决流体动力学问题的无网格数值模拟方法,其相对传统的有网格方法,可以更好的解决复杂边界的运动情况,而本文选择的典型的两栖浅滩生物仿海蟹机器人结构比较复杂,所以选用SPH数值方法对其游动性能进行模拟。本文在仿海蟹机器人的研究中,建立了机器人的运动坐标系并通过坐标系设计了机器人的游动模式,并设置不同的游动参数来分析机器人的游动性能,并为了验证SPH方法模拟的正确性,设计了机器人的游动实验,来优化机器人的推进性能。首先分析机器人的机身和游泳桨的坐标系。规划游泳桨关节运动规律,基于切片理论建立单桨动力学模型,针对桨拍动的周期性,对两种模式(升力模式、阻力模式)的同步步态的力的曲线进行研究,设置了游泳桨不同的游动参数对比其游动结果。通过设计机身和游泳桨的运动方程,为机器人游动做出铺垫。其次将无网格SPH方法应用到机器人游动的仿真中。先确定了流域的尺寸和粒子的大小,通过应用仿真软件对机器人进行水下游动仿真,并且将机器人游泳桨运动的参数进行改变,来研究机器人产生的各个力的曲线和游动时间,分析机器人在水中游动的最佳状态。并对比了升力模式的“8”形态和阻力模式的“?”形态下机器人游泳桨拍动周围水的流动状态和桨表面压力分布情况。最后开展仿海蟹机器人游动实验分析。通过机器人的机身和游泳桨的结构研制出了机器人结构模型,搭建了游泳桨水动力测试平台和整机游动水池实验环境,开展了仿海蟹机器人水下推进实验研究,得出的数据与仿真数据做出对比,验证了游泳桨仿生推进的可行性。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李雪

导师: 王立权

关键词: 仿海蟹机器人,粒子流体动力学方法,机器人游动,实验性能研究

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,自动化技术

单位: 哈尔滨工程大学

基金: 国家自然科学基金项目“足桨耦合仿海蟹机器人水下推进机理与实验研究”

分类号: TP242;Q811

总页数: 92

文件大小: 5411K

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