【摘 要】
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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
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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。
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