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串联式轮腿机构动力学建模与优化设计
| 论文题名： | 串联式轮腿机构动力学建模与优化设计 |
| 关键词： | 轮腿车辆;足端轨迹规划;多目标遗传算法;单纵臂悬架;动力学模型 |
| 摘要： | 轮腿式车辆综合了足式移动车辆和轮式移动车辆的优点，通过足、轮模式的切换，能够适应各种地形条件。在抢险救灾、军事运输及矿产开采等高危险和高强度的场合应用广泛。在未来无人化作业的时代，轮腿车辆的应用将成为主流，因此成为当下的研究热门。轮腿式车辆是一个多自由度的非线性系统，而单轮腿机构又是组成这个复杂系统的基础。本文通过仿生结构设计、静力学校核、运动学和动力学建模、足端轨迹规划、多目标遗传算法优化和样机实验验证等几个方面对串联式轮腿机构进行研究分析，其主要工作内容如下： (1)对串联式轮腿机构进行总体方案的设计。根据轮腿机构的性能要求，并分析了目前轮腿机构存在的不足，本文对轮式模式下的悬架系统和足式模式下的腿部结构进行了详细设计，还增加了轮腿切换装置模块，从而实现足、轮模式的快速切换。并且运用ABAQUS软件对轮腿机构进行静力学校核和分析。 (2)研究了轮腿机构足轮模式下的运动学特性和足端轨迹规划。基于几何数值法得到了轮式行驶模式下车轮跳动与每个驱动关节角的变化关系，并与ADAMS建立的悬架模型进行相互验证。同时，应用D-H法建立了足式行走下足端位置变化与各个驱动关节转角的表达式，对复合摆线型的足端轨迹曲线进行改进。并在MATLAB中的RoboticToolbox建立了运动模型，验证了正逆运动学推导的正确性，为后面的动力学建模和优化设计提供了基础。 (3)研究了轮腿机构足轮模式下的动力学特性。针对轮式行驶模式，将拉格朗日法建立的理论模型与ADAMS模型进行对比，验证了拉格朗日法模型的正确性，并分析了C级路面上悬架的平顺性能。针对足式行走模式，结合足端和地面碰撞的Hunt-Crossley接触模型，建立了单腿飞行相和着地相的动力学模型，并与在MATLAB/Simulink的SIMSCAPE模块建立的动力学模型进行对比分析，从而证明了拉格朗日法模型的正确性。最后，在满足尺寸安装条件下，以最大足端运动空间和较小的车轮轴距变化为优化目标，运用多目标遗传算法对轮腿机构尺寸参数进行了优化。 (4)对单腿样机进行了运动学性能实验，验证整体方案的可行性和机械系统的可靠性。本文通过对串联式轮腿机构动力学建模与优化设计分析，为轮腿车辆的进一步研究提供了一些思路。 |
| 作者： | 彭强 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 胡三宝 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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