抛投式机器人结构及抗冲击性能优化研究

摘要

近年来，随着自然带来的灾害，人为的一些恐怖事件，或者毒性物品和核废料的扩散，对我们的环境带来很多的不便和危害，甚至严重的影响到了人们的生命安全。在灾害发生后，能第一时间了解现场所发生的事故的情况，是非常重要的，但是出于对人生命安全的保障，人可能是不能直接到达现场，这样可能会错过最佳的时机，针对这类型的侦查观测需求，微型抛投式侦查机器人系统会起到关键性作用。 本文以旧版本抛投式机器人系统为基础，通过实际实验，发现其不足，做出了相应的改进。本文研究内容和取得成果如下： 首先，旧版抛投式机器人在一系列测试中，在高度为3.5m高时的跌落测试，机器人传动轴发生了较严重的塑性变形，通过对具体结构和跌落仿真分析，发现了传动轴的轴向游隙过大和此结构尺寸的薄弱是导致无法承受此冲击的两个原因，经改良后，再次测试中能保证其承受3m高度冲击，同时传动轴本身的结构易出现应力集中问题，在新版中以解决这些不足。 其次，对于抛投式机器人系统来说，抛出后能抵抗足够的冲击力是机器人的必要条件，在新版机器人的结构设计中，不仅优化旧版的不妥之处，还设计了一种以部分橡胶轮包围主体的结构，在机器人着地时大大减小了冲击给传动轴带来的影响。然后在有限元显示动力学分析的基础上，对此结构的关键参数进行了优化分析，进而对机器人着地防碰撞性能进行评估。 第三，针对两轮微型抛投机器人在停止过程中，由惯性机器人底部平衡拖尾会发生翻转，导致传输画面紊乱，机器人方向迷失。提出通过对机器人速度控制的方法，控制机器人由快速缓慢减速直到其因阻力而平稳停止，建立了仿真控制系统模型并给出了数学模型详细的推导过程，得出了理想的停止速度与时间的关系曲线，合理有效的解决了停止时翻转问题。 最后，设计实现了功耗低，重量轻，抗冲击能力强的微型移动机器人系统，完成了对机器人系统实际实验的抗冲击性能评估。

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1　绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 抛投机器人抗冲击技术进展

1.4.1 课题主要研究内容

1.4.2 课题章节安排

2 旧版抛投机器人的性能分析

2.1.1 结构简介

2.1.2 机器人中间主体内部结构缺陷

2.1.3 机器人快换结构缺陷

2.2.1 跌落测试

2.2.2 基于有限元理论对传动轴弯曲变形分析

2.2.2.1 抛投机器人碰撞时理论分析

2.2.2.2 仿真分析

2.3 总结

3 新版机器人结构优化及抗冲击性评估

3.1 新版机器人结构

3.1.1 新版机器人内部结构设计

3.1.2 新版机器人传动结构设计

3.1.3 新版机器人轮部缓冲结构设计

3.2.1 碰撞的基本概念

3.2.2 建立机器人碰撞单自由度缓冲系统模型

3.3 基于有限元软件建立关键抗冲击部件有限元模型

3.3.1 机器人有限元分析简化模型

3.3.2 机器人本体外壳有限元模型

3.3.3 传动部分有限元模型

3.3.4 轮子部分有限元模型

3.4 机器人参数优化和抗冲击性能评估

3.4.1 各零部件的失效判定标准

3.4.2 橡胶Mooney_Rivlin模型材料参数优化

3.4.2.1 橡胶材料参数理论分析

3.4.2.2 橡胶材料参数有限元优化分析

3.4.3 弹簧刚度系数优化

3.4.4 三种典型着地姿态抗冲击性能评估

3.4.4.1 水平角度跌抗冲击性能评估

3.4.4.2 倾斜45度角度跌抗冲击性能评估

3.4.4.3 竖直角度跌抗冲击性能评估

3.5 结论

4 微型抛投式机器人防翻转理论分析

4.1 理论建模

4.2.1 联合仿真平台搭建

4.2.2 控制器设计

4.2.3 实验仿真与分析

4.3 结论

5 抛投机器人实验及其分析

5.1 两版本机器人对比实验和新版机器人实验设计

5.2 两版本机器人样机结构对比

5.3.1 新旧机器人样机跌落对比测试

5.3.2 新版机器人样机抛投实验

5.3.3 环境适应性

5.4 机器人实验分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果

学术论文