燃爆弹跳机器人关键技术研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chengzi1022
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燃爆弹跳机器人具有较强的越障和带负载能力,对未知地形的适应性好,在野外探测、抢险救灾、战场侦查等方面具有广泛的应用前景。研制越障性能好、环境适应性好的燃爆弹跳机器人仍有许多技术问题需要解决。燃爆弹跳驱动器是该类型弹跳机器人的核心部件,是一种直驱式动力装置,无需传动机构,具有结构紧凑、功率质量比大、能量密度高等优点。论文以“燃爆弹跳机器人的关键技术”为研究内容,为实现适应野外复杂环境运动的燃爆弹跳机器人提供依据。  根据对燃爆弹跳驱动器工作过程的分析,建立了燃爆驱动弹跳的热-动力学方程,研究了燃烧效率、燃烧品质系数以及燃烧时间对驱动器性能的影响。通过仿真发现:当燃烧效率、燃烧品质系数以及燃烧时间取不同的参数时,从开始点燃到压力达到最大值期间气缸与活塞之间的位移较小,因此可利用等容燃烧假设分析燃烧室内压力的变化。  针对驱动器的输出性能受丙烷/一氧化二氮的摩尔混合比及充气压力的影响,构建了驱动器测试平台,对驱动器进行室外弹跳试验分析。试验表明:当混合比为化学当量比时,驱动器的效率最高,且驱动器的性能随着充气压力的增加而提高。通过室内弹跳试验测试了驱动器起跳过程中的压力、位移、速度等参数,所测的结果与仿真结果吻合。研究驱动器的带负载能力,提出了带负载能力函数,定量地分析了目前主要弹跳机器人的带负载能力。  研制了轮式移动的弹跳机器人载体,将其与现有的驱动器相结合,得到复合移动的弹跳机器人,该机器人可实现落地缓冲和姿态调整。根据机器人的落地缓冲要求,设计、实现了蜂窝结构的减震车轮,研究了车轮静态受力变形和落地碰撞,该车轮缓冲性能好且能快速恢复原状。为验证弹跳机器人的越障及缓冲性能,对轮式移动弹跳机器人的越障方案决策,针对不同厚度的障碍物进行越障试验,机器人能够成功地越过与跃上障碍物。  针对地面的力学特性对燃爆弹跳机器人弹跳性能的影响,建立了考虑地面力学特性的驱动器动力学模型,基于Hunt-Crossly模型分析了驱动器与地面的接触力,在三种典型力学特性地面(刚性地面、硬粘土地面、草地地面)进行弹跳试验,验证理论模型的有效性。试验测得的弹跳高度、弹跳脚的下陷深度结果与仿真结果较吻合,该理论模型为机器人弹跳地点的选择及在不同力学特性地面的弹跳分析提供理论依据。  针对现有驱动器压力低、复位弹簧易失效及结构复杂等问题,对其结构进行改进设计。基于起跳速度,确定驱动器缸体的内径与行程、复位弹簧刚度等参数,对改进的驱动器进行充气试验与弹跳试验。试验表明:采用减小压力作用面积的方法将最大充气压力增加了81.8%,该驱动器工作可靠。进行了充气压力为0.22MPa的弹跳试验,当负载自重比为345%时,弹跳高度达2.5m。从安全的角度出发,充气压力将逐步提高,为以后实现更高的弹跳性能奠定基础。
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