足式机器人足--地作用机理试验台设计与试验分析

摘要

随着机械，电子等行业的蓬勃发展，机器人技术愈加成熟并得到广泛应用。足式机器人具有土壤机械压实作用小，作业时作物损害轻、故障时易撤离现场等优点，正成为国内外农情信息采集领域的发展方向之一。目前，有关足式机器人腿部与流变型土壤间的相互作用机理的研究基础薄弱，其腿部设计方法和设计依据非常匮乏。因此，开展足式机器人腿部结构与流变型土壤的之间相互作用的动态仿真与试验研究，对于推进农田足式机器人技术进步和产业化应用等均具有重要意义。 本课题旨在设计制作一套足式机器人单腿土槽试验台系统及构建一套与实际环境相一致的单腿足-地作用虚拟仿真测试平台，进行单腿在土壤表面行走的动态仿真以及土槽试验台实际行走试验，分析系统能耗的大小及运动特性，旨在揭示足式机器人推进机构与流变型土壤间的相互作用机理，为农田足式机器人腿部设计及优化提供科学依据。 首先，基于土槽试验台总体机械设计方案，对土槽试验台的机械本体的各部分进行详细的设计、校核、加工及装配，搭建起试验台的实物平台。 其次，完成了足式机器人单腿土槽试验台测控系统的硬件设计及软件设计。选取了试验台上所需的硬件，并完成土槽试验台电气控制柜的研制。通过C#与PLC的联合编程，实现了土槽试验台的自动控制与数据采集。 然后，运用ABAQUS有限元软件，建立了流变型土壤的本构模型。基于ABAQUS/Explicit算法，构建了机械腿在农田土壤中行走的虚拟仿真测试平台，并在机械腿的沉陷试验中验证了有限元模型的合理性。 最后，通过有限元仿真测试平台的正交试验，寻找到最优的步态轨迹与足端结构，并基于土槽试验台的实际试验对结论的可靠性进行了验证。试验表明，各个因素对系统能耗比的影响程度依次为:足端形状＞步长＞周期＞步高，其中足端形状的影响最为显著;单位距离内，机械腿采用步长150mm，步高55mm，周期2.4s和柱形的足端结构，系统的能耗是最少的;在整个周期的运动中，机械腿的入土过程是最耗费能量的。试验结果在一定程度上揭示了足式机器人在农田土壤上的运动机理，为农田足式机器人的设计优化奠定了基础。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1本课题的研究背景

1．2土槽试验台的国内外发展现状

1．2．1土槽试验台国外发展现状

1．2．2土槽试验台国内发展现状

1．3本课题的研究内容和创新性

1．3．1课题的研究内容

1．3．2课题的创新性和实用价值

1．4本课题的主要工作

1．5本章小结

第二章土槽试验台的机械设计

2．1土槽试验台总体机械设计方案

2．1．1试验台的设计指标和技术要求

2．1．2试验台的系统组成

2．2试验台框体设计与校核

2．2．1框体结构

2．2．2框体强度校核及仿真结果

2．3工作平台装置设计

2．3．1工作平台总体设计

2．3．2丝杠滑台模组的设计

2．3．3关键部件强度校核及仿真结果

2．4机械腿的设计

2．4．1腿部结构设计

2．4．2腿部运动参数

2．4．3腿部运动分析

2．5土槽槽体的设计与校核

2．5．1土槽槽体的结构设计

2．5．2土槽强度的校核

2．6试验台总成

2．7本章小结

第三章试验台测控系统的硬件设计

3．1试验台的电机选型

3．1．1电机类型的确定

3．1．2步进电机的选型

3．1．3步进电机驱动器的确定

3．2机械腿的电机选型

3．2．1电机类型的确定

3．2．2直流电机选型

3．2．3直流电机驱动器的确定

3．3传感器选型

3．3．1扭矩转速传感器

3．3．2土壤水分传感器

3．4 PLC选型

3．4．1 PLC类型的确定

3．4．2 PLC具体型号选择

3．5信号转换器

3．5．1 A／D信号转换模块

3．5．2 PNP-NPN信号转换模块

3．6系统硬件的总成

3．6．1系统硬件组成

3．6．2电气接线图

3．7本章小结

第四章试验台测控系统的软件设计

4．1 PLC与上位机通信

4．1．1 PLC的通信格式

4．1．2 PLC的命令帧

4．2试验台运动控制

4．3机械腿控制

4．3．1 PVT插补模式控制

4．3．2上位机设计

4．4传感器数据采集

4．4．1频率信号的采集

4．4．2电压信号的采集

4．5本章小结

第五章基于ABAQUS的有限元仿真分析

5．1 ABAQUS软件简介

5．2 ABAQUS求解算法的选择

5．3基于ABAQUS的土壤本构模型的建立

5．3．1扩展的Drucker-Prager模型

5．3．2 Mohr-Coulomb模型与Drucker-Prager模型的参数转换

5．3．3土壤抗剪强度的测量

5．3．4土壤密度、含水率的测量

5．4有限元模型的建立及计算条件

5．4．1 ABAQUS分析流程图

5．4．2网格类型与材料的定义

5．4．3相互作用的设定

5．4．4机械腿与土壤之间的接触设定

5．4．5分析步与边界条件的设定

5．4．6求解分析

5．5有限元分析的可行性验证

5．5．1足端与土壤的承压模型

5．5．2机械腿的沉陷试验

5．6本章小结

第六章足-地作用机理的试验分析

6．1足式机器人的足端结构

6．2足-地作用机理仿真试验

6．2．1正交试验

6．2．2具体试验方案

6．2．3仿真试验结果分析

6．3足-地作用机理土槽试验

6．3．1试验的说明

6．3．2具体试验方案

6．3．3试验数据处理

6．3．4仿真试验最优结果的验证

6．4试验分析与讨论

6．5本章小结

第七章总结与展望

7．1总结

7．2展望

参考文献

致谢