抗洪抢险腿式机器人脚的防陷机理与仿生设计方法研究

Legged robot is an important technology to improve the efficiency of construction and rescue and reduce the potential hazards in dyke emergency environment, however, the problems of large sinkage and slippage block this technology to be applied more widely. Taking legged robot's foot as the research object, the anti-sinking mechanism under static and dynamic condition and bionic design theroy are studied based on the interaction of foot's structure and soil by the method of numerial analysis, bionics and experiment verification in order to improve the static and dynamic load bearing capacity of legged robot walking in dyke emergency enviroment. The detailed research content includes constructing biomimetic foot's feature curve network from the bionic object, buliding the interacting force model between foot structure and soil, studying the influence rules of the foot geometric parameters to the local stress state of the soil under the foot and the foot's sinkage, studying the anti-sinking mechanism under static and dynamic condition, putting forward the foot's shape designing theroy and method based on robot's foot's modeling method of movable skeleton and transformable supporting surface, building the perfomance test platform of robot's foot walking in dyke emergency enviroment, manufacturing the sample of foot structure and making experiment analysis. This research can provide the theoretical direction for the development of legged robot in dyke emergency enviroment, and can also provide a beneficial reference for the foot structure's design of the specialized robot working in complex environment.

腿式移动机器人是提高抗洪抢险施工与救援效率、减少施工人员潜在危险的重要技术，然而其作业时存在沉陷量大、易滑移等问题，制约了该技术的应用推广。本项目以抗洪抢险腿式机器人脚为研究对象，采用数值分析、仿生学与试验验证相结合的研究方法，从结构与土壤相互作用角度探索土壤在不同应力状态下的动静态防陷机理，研究机器人脚的仿生设计理论和方法，以提高抗洪抢险腿式机器人的动静态承载能力和稳定性。研究内容包括：建立仿生对象脚部结构的特征曲线网模型，建立脚部结构与土壤相互作用的力学模型，分析机器人脚的形状对脚底局部土壤应力状态与沉陷量的影响规律和不同脚部形状的动静态防陷机理，提出基于活动骨架和可变形支撑面建模方法的机器人脚部形状设计理论和方法，构建脚部防陷性能测试平台，并进行防陷试验与分析。研究成果可为抗洪抢险腿式机器人脚的研制提供理论指导，也对复杂环境下作业的特种机器人仿生脚部结构设计具有借鉴意义。

腿式机器人是提高抗洪抢险施工与救援效率、减少施工人员潜在危险的重要技术，但其作业时存在沉陷量大、易滑移等问题，制约了其应用推广。本项目以抗洪抢险等软土环境腿式机器人脚为研究对象，采用仿真与试验相结合的方法，从结构与土壤相互作用角度探索土壤在不同应力状态下的防陷机理，研究机器人脚仿生集成设计方法，以提高机器人承载能力和行走稳定性。采用特征骨架和截面曲线、关节变量等参数描述仿生脚形状，提出基于曲线网的机器人脚建模与仿真的集成优化方法；提出了基于有限元胞法的等几何结构优化方法及具有局部特征表达能力的全参ANCF建模技术，为实现刚体和变形体耦合的沉陷分析及集成优化提供理论基础。建立软土环境下机器人脚与土壤相互作用力学模型，先后采用FEM/SPH、ALE、多体动力学等多种仿真方法，重点分析了脚底和截面形状、局部特征对机器人脚的沉陷量、土壤流动和应力状态等沉陷性能的影响；发现脚底土壤形成主应力拱，局部区域发生应力传递和转移，使作用于拱脚处土壤竖向压应力转化为拱内径向压应力；同时第三主应力偏转则导致局部土壤应力发生叠加，有效增大了脚底接触压力；而增加侧面轮廓周长能有效增大侧面摩擦阻力。在此基础上，提出了一种多孔型X形脚，并通过正交试验对其进行优化，进一步提高其防陷能力。研究脚底含压力气囊的机器人脚在软土中沉陷，发现该结构气囊底面变为弓形，增大了接触面积，同时产生固土效应，有助于提高其防陷能力。开发了沉陷实验平台，通过试验测试多种机器人脚沉陷特征曲线，系统分析了机器人脚沉陷性能,并与仿真结果进行了比较；从机构设计角度提出了多种有利于提高防沉陷性能的机器人脚设计方案，并申请了多项发明专利和实用新型专利。研究成果为抗洪抢险腿式机器人脚的研制提供理论指导，也对复杂环境下作业的特种机器人仿生脚部结构设计具有借鉴意义。