软刚复合仿生水泥墙面爬壁机器人研究

论文总字数：25851字

摘 要

近年来，经济社会快速发展，爬壁机器人的应用需求也越来越大，本文提出了一种利用仿生学原理，对昆虫攀爬结构进行模仿的软/刚复合爬壁机器人。利用柔性的爪刺结构将爪刺尖端与接触面的凸起形成机械锁合，来提供攀附能力的切向力以保持与接触面的附着。利用四连杆机构实现轮足混合型运动方式，简化了结构与控制方式。

本文针对爬壁机器人爬行过程中所涉及的原理与结构进行了研究：

第一，观察昆虫的腿足结构总结出昆虫爬壁的基本方式，计算了一些基本参数，为进一步设计爪刺提供了依据。依靠爪刺与接触面的微小可用凸起之间形成机械锁合。

第二，由于昆虫的跗节是多关节柔性结构，所以在设计与制造过程中必须采用柔性的材料，使整个爪刺可以满足在一定范围内形变的需求。

第三，利用四连杆机构实现轮足式爬壁方式攀附更加稳定，简化了机械结构，通过单自由度电机提供动力，方便了机器人的控制。

关键词：

软/刚复合；轮足式；爬壁机器人；仿生爪刺；

Research on soft / rigid composite biomimetic cement wall climbing robot

02012426 zhenhao ge

Supervised by xingsong wang

Abstract：

In recent years, rapid economic and social development, wall-climbing robot applications demand is also growing, we propose a use of bionics, insect climbing structure to imitate soft / rigid composite wall-climbing robots. Cut using a flexible structure pawl claw thorn barbed projection tip and the contact surface of a mechanical lock to provide the ability to cling force to maintain the contact surface of the attachment. The use of four-bar linkage to achieve wheel feet hybrid sport, simplifies the structure and control.

This article focuses on the key point of climbing robot designed and studied for:

First, observe the structure of insects ‘leg summed up the basic method of insect climbing wall, calculate some basic parameters for further design claw stabbed provided. A mechanical lock between the projections rely claw thorn tiny contact surface available.

Second, since the tarsus insects is flexible multi-joint structure, so in the design and manufacturing process must be flexible material, so that the whole claw thorn in a certain range to meet the needs of the deformation.

Third, the use of four-bar linkage to achieve round-foot climbing wall cling more stable manner, simplifying the mechanical structure, motors powered by a single degree of freedom, to facilitate the control of the robot.

Key words:

soft/rigid; leg-wheel; wall-climbing robot; biomimetic spine;

目 录

1 绪论……………………………………………………………………………1

1.1 研究背景及意义…………………………………………………………………………1

1.2 爪刺式爬壁机器人 ………………………………………………… ………………………2

1.2.1 爪刺式爬壁机器人国外研究成果………………………………… …………… …………2

1.2.2 爪刺式爬壁机器人国内研究成果…………………………………………………………4

1.3 论文的研究内容与方法………………………………………………………………………5

1.4 论文组织结构………………………………………………………………………………… 6

2 仿生爬壁机器人的仿生原理…………………………………………………………………7

2.1 仿生足灵感与昆虫足部结构 ………………………………………………………………7

2.2 爪刺抓附机理研究……………………………………………………………………………7

2.3 柔性跗节结构 ……………………………………………………………………………13

2.4 本章小结……………………………………………………………………………13

3 仿生爪刺设计 ……………………………………………………………………………14

3.1 昆虫爪刺的作用与仿生时的问题…………………………………………………………14

3.2 仿生足部爪刺 ……………………………………………………………………………14

3.3 仿生柔性爪刺足运动分析 ………………………………………………………………14

3.4本章小结……………………………………………………………………………15

4 样机设计……………………………………………………………………………16

4.1 机器人结构选择……………………………………………………………………………16

4.2 结构设计……………………………………………………………………………16

4.2.1 整体设计……………………………………………………………………………16

4.2.2 四连杆机构设计……………………………………………………………………………17

4.3 最终设计结构……………………………………………………………………………18

4.4 静力学分析……………………………………………………………………………19

4.5 动力学分析……………………………………………………………………………20

4.6 转动副设计……………………………………………………………………………26

4.7 本章小结……………………………………………………………………………27

5 样机制作……………………………………………………………………………28

5.1 制造方法…………………………………………………………………………28

5.1.1 3D打印技术……………………………………………………………………………28

5.1.2 主流3D打印技术……………………………………………………………………28

5.2 材料选择……………………………………………………………………………30

5.3 实物效果图……………………………………………………………………………31

5.4 本章小结……………………………………………………………………………31

6 总结与展望……………………………………………………………………………33

6.1 工作总结……………………………………………………………………………33

6.2 研究展望……………………………………………………………………………33

致谢……………………………………………………………………………………………34

参考文献………………………………………………………………………………………35

软/刚复合仿生水泥墙面爬壁机器人研究

1. 绪论

1.1研究背景及意义

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