林间四足步行机的步态规划与建模仿真研究

摘要

随着经济的快速发展，对机械的自动化要求越来越高，为了提高林间作业效率，人们开始重视营林机器的机械化和自动化。由于我国森林地形条件和作业环境都比较复杂，履带式和轮式移动机械均存在一些弊端，如轮式移动机械不适合崎岖或松软的地形条件，而履带式移动机械的越障能力比较差等。因此，亟待研制一种能在林间复杂的地形条件下行走的步行机，以满足作业需求。近年来，在机器人研究领域，多足步行机日益受到人们的关注，成为机器人研究的一个重要分支。目前，常见的步行机有二足、四足和六足式。其中，四足步行机结构简单，稳定性好且承载能力强，不仪可以实现静态缓慢步行，而且还能实现动态高速行走。本文提出了一种用于林间作业的四足步行机机械本体结构方案，并进行了深入分析和研究。
　　本文在对国内外四足步行机的历史及现状分析与总结的基础上，基于仿生学原理，提出了一种新型林间四足步行机的结构模型，并给出了总体设计方案。对四足步行机进行了步态规划，确定了对角小跑的动态步态，并对其步态的稳定性进行了研究，明确了影响其稳定性的主要因素。
　　建立了林间四足步行机的运动学模型，运用D-H法研究四足步行机的运动学问题，给出了运动学方程的正解，进一步探讨了步行机的运动特性，得出了林间四足步行机的速度雅可比矩阵。建立了四足步行机的动力学模型，选用拉格朗日功能平衡法，分析并推导了四足步行机腿部连杆机构的动力学方程并进行了部分求解。
　　利用虚拟样机技术，在Solid works环境下建立了林间四足步行机的三维虚拟模型，进行对角小跑步态的模拟仿真，验证运动规划的可行性，为整机结构的改进提供依据。将四足步行机的三维模型，导入ADAMS软件中，根据实际情况添加需要的物理参数，在ADAMS软件中对四足步行机进行运动仿真研究。然后，对本文研究的林间四足步行机进行了加工制造与装配，并在实验室条件下进行了步态试验。实验表明，该林间四足步行机可以实现规划的步态，并满足步长和越障高度的设计要求。
　　最后，对林间四足步行机的壳体结构特性进行了研究。设计了步行机的外部壳体造型，建立了步行机壳体的力学模型，在碰撞力的作用下分析了壳体的强度，得出了木质薄单板壳体的位移方程、撞击力方程并确定了最大位移变形的位置。在壳体材料使用方面突破传统，进行了创新，采用木质薄单板制作步行机的壳体，不仪减少了整机的质量，还便于曲面造型，实现环保节约、美化外观的目的。
　　本文的研究为林间步行机械的发展提供了理论基础。在林业机械化越来越完善的将来，具有良好越障能力的林间步行机将拥有广阔的市场前景。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 四足步行机的国内外研究现状

1．2．1 国外四足步行机研究现状

1．2．2 国内四足步行机研究现状

1．3 林业机器人的国内外研究现状

1．3．1 国外林业机器人研究现状

1．3．2 国内林业机器人研究现状

1．4 论文的研究目的和意义

1．5 论文的主要研究内容

2 林间四足步行机的步态规划与设计研究

2．1 林间步行机设计的基本要求

2．2 四足步行机腿结构配置

2．3 四足步行机步态规划

2．3．1 步态的参数描述

2．3．2 四足动物步态分析

2．3．3 四足步行机步态规划

2．3．4 四足步行机对角小跑的稳定性研究

2．4 林间四足步行机的设计

2．4．1 研究基础

2．4．2 林间四足步行机的设计参数

2．4．3 林间四足步行机的工作原理

2．4．4 林间四足步行机传动系统的设计

2．4．5 林间四足步行机行走机构的设计

2．4．6 林间四足步行机的步态规划

2．5 本章小结

3 林间四足步行机的运动学研究

3．1 数学基础

3．1．1 位置和姿态的描述

3．1．2 螺旋运动

3．2 林间四足步行机的运动分析

3．2．1 D-H参数与步行机正向运动学问题

3．2．2 林间四足步行机的正运动学求解

3．3 林间四足步行机的运动性能分析

3．4 本章小结

4 林间四足步行机的动力学研究

4．1 串联步行机的拉格朗日方程

4．1．1 刚体的动力学方程

4．1．2 串联步行机的拉格朗日方程

4．2 林间四足步行机的动力学问题

4．3 本章小结

5 林间四足步行机虚拟样机的建模与仿真

5．1 林间四足步行机虚拟样机三维建模

5．1．1 林间四足步行机行走机构结构

5．1．2 林间四足步行机关键部件建模

5．1．3 林间四足步行机虚拟装配

5．2 林间四足步行机虚拟样机的步态仿真

5．3 林间四足步行机虚拟样机的运动仿真

5．4 林间四足步行机的步态试验

5．5 本章小结

6 林间四足步行机壳体的设计研究

6．1 林间步行机壳体设计方案

6．1．1 木质薄单板壳体基本假设

6．1．2 步行机壳体框架设计

6．2 林间步行机壳体强度分析

6．3 林间步行机壳体的力学研究

6．3．1 力学模型建立

6．3．2 壳体层数选择

6．3．3 壳体的力学分析

6．4 步行机壳体结构特性分析

6．4．1 粘合特性分析

6．4．2 复合结构的强度机理

6．4．3 复合材料选择原则

6．5 步行机壳体的表面处理方法

6．5．1 壳体表面涂饰材料的确定

6．5．2 表面接缝的处理

6．5．3 影响表面质量的因素

6．6 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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