基于离散元方法的空间爬行机器人微结构修饰粘附足研究

摘要

随着空间探测技术的发展，空间载荷向着大型化、复杂化、智能化方向发展，常规的空间机械臂技术的局限性也在逐步体现。灵活性、机动性更高的载荷操作技术应运而生。空间微型爬行机器人可以搭载机械臂，通过爬行和粘附作用于目标航天器上进行故障维修、废弃物移除等在轨操控任务。本文针对空间爬行机器人的粘附技术展开研究，提出一种仿壁虎足末端刚毛的粘附微阵列结构，并基于离散元仿真技术对其粘附特性开展研究。
　　针对任务目标，结合空间环境，基于仿生原理，确定了微结构修饰粘附足方案。基于离散元仿真平台 EDEM，利用颗粒团聚法建立了柔性微结构仿真模型，实现了粘附足微阵列动态脱附过程的仿真分析，为揭示粘附作用机理提供了平台。
　　在微阵列仿真模型进行水平脱附和垂直脱附的基础上，结合已有研究基础，依据矩阵图法制定出20组不同结构参数的仿真工况，对比研究刚毛微阵列的直径、长度、间距等结构参数对粘附足粘附特性的影响规律，为微阵列结构的优化设计提供了支撑。
　　为实现更快更可靠的脱附，探究微阵列在粘脱附过程中的运动对机器人稳定性的影响，开展了运动参数对微阵列粘附特性的仿真研究，获得了微阵列的脱附角度、脱附速度及脱附角速度对微阵列粘脱附行为的影响规律，为机器人的运动控制和步态规划提供了依据。
　　利用等离子体深刻蚀工艺进行了微阵列试验件的加工，利用水滴法在地面环境进行了脱附过程试验，测试了切向脱附力。试验数据表明，切向粘附力随间距的增大而减小，随直径的增大而增大。上述规律与仿真结果一致，从而验证了脱附过程离散元仿真的正确性以及微阵列结构优化设计的合理性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 仿生粘附足的研究现状

1.3 仿壁虎爬行机器人的研究现状

1.4 离散元理论研究现状

1.5 国内外文献综述的简析

1.6 课题主要研究内容

第2章 基于仿生原理的粘附足微结构设计与分析

2.1 引言

2.2 机器人足底粘附微结构设计

2.3 基于离散元方法的微结构粘附机理仿真研究

2.4 本章小结

第3章 基于离散元方法的结构参数对粘附足粘附特性的影响规律仿真研究

3.1 引言

3.2 基于离散元的仿真工况方案设定

3.3 微阵列结构参数对粘附特性的影响规律仿真

3.4 仿真结果总结与分析

3.5 本章小结

第4章 基于离散元方法的运动参数对粘附足粘附特性的影响规律仿真研究

4.1 引言

4.2 脱附角度对粘附特性的影响规律仿真分析

4.3 粘脱附线速度对粘附特性影响仿真分析

4.4 翻转角速度对粘附特性影响仿真分析

4.5 本章小结

第5章 粘附足微阵列切向粘附特性试验研究

5.1 引言

5.2 微阵列试验件的加工

5.3 微阵列切向粘附特性试验

5.4 试验结果分析与仿真验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢