仿生柔性爪刺抓附力感知、检测及控制系统研究

摘要

仿生爪刺爬壁机器人的智能化是未来实际应用中亟待解决的一个关键问题，其中自我感知抓附状态是实现其智能化的重要前提。由于爪刺抓附时受力情况复杂，抓附力检测与控制的手段较少，因而这方面的研究和探索对爬壁机器人的智能化和实用化具有重要意义。
　　本文主要研究仿生爪刺抓附爬行机构的抓附力检测与控制系统，同时对爪刺与粗糙表面的抓附机理进行了相关的理论和模型分析。首先研究柔性爪刺的仿生机理，建立单根爪刺在任意表面的抓附力学模型，进而依据分析结果制定爪刺抓附力检测方案，并进行抓附爬行机构的整机研制和测控系统的软、硬件平台设计，最后通过对比实验，验证该测控系统的可行性和准确性，可以实现爬行机构在行走过程中抓附力自感知功能。另外，本文还分析研究了爪刺结构和对足抓附系统的结构稳定性，分析和规化了爬行机构的运动策略和足末端轨迹，研究了抓附力控制系统。主要研究成果和创新点如下:
　　(1)提出了基于刚度矩阵的任意表面爪刺抓附力学模型，以及爪刺在接触表面的对抓模型，分析了爪刺与任意曲面接触、抓附过程中的受力情况，得到了爪刺抓附力的力学表达式，推导出爪刺处于稳定抓附的判定条件，以及相应条件下机架位移变化的安全区域。
　　(2)完成了检测系统的软、硬件平台设计，制定了基于线性霍尔传感器的抓附力检测方案，通过检测抓附系统的弹性力，可以感知爪刺切向力，理论上实现了抓附过程中抓附力的检测。
　　(3)验证了抓附系统具有稳定性与抗干扰能力，在爬行机构运动时，可实时检测其抓附状态，实现爬壁机器人在爬行过程中抓附力自感知的功能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国外研究现状

1．3 国内研究现状

1．4 论文结构及主要研究内容

第2章 抓附力感知原理研究

2．1 柔性爪刺仿生机理研究

2．1．1 爪刺抓附力学研究

2．1．2 单根爪刺抓附力稳定性研究

2．2 对抓足抓附机理与感知原理研究

2．3 本章小结

第3章 抓附力检测系统研究

3．1 抓附力检测原理研究

3．2 对抓足抓附力检测系统研究

3．3 抓附力检测系统主要模块选型

3．3．1 传感模块选型

3．3．2 驱动模块选型

3．4 本章小结

第4章 抓附力控制系统研究

4．1 抓附系统稳定性研究

4．2 抓附爬行机构运动策略与轨迹研究

4．2．1 爬行机构样机制备

4．2．2 抓附爬行机构运动策略研究

4．2．3 抓附爬行机构运动轨迹分析

4．2．4 爪刺对抓足末端轨迹分析

4．3 抓附系统程序设计

4．3．1 抓附速度控制

4．3．2 主程序设计

4．4 本章小结

第5章 抓附力检测和控制系统实验研究

5．1 传感模块标定实验

5．2 爪刺爬壁机器人抓附力检测实验

5．2．1 舵机转角与弹簧力标定实验

5．2．2 霍尔传感器-检测系统抓附力检测

5．2．3 LSM300-力学平台抓附力检测

5．2．4 抓附力检测值对比分析

5．3 抓附稳定性测试

5．4 机构爬行过程中抓附力测试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文的主要工作

6．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果