摘要
挖掘机器人能够在救灾抢险，城市建设中发挥重要的作用，能够降低救援或者施工的风险，尤其在地下的非开挖工作中，大型机械体积庞大，容易受到挖掘条件的限制，国内外对于非开挖机器人的研究中，挖掘土屑的排出是其中一个难点，而蝼蛄的无屑挖掘特征可以作为一种较好的生物参考依据。本研究基于仿生学原理，深入探究蝼蛄挖掘足的挖掘特性。通过高速相机捕捉蝼蛄前足挖掘运动，利用标准D-H参数法对蝼蛄前足建立运动学模型，并解算前足工作空间、运动方式及各关节角度。通过动力学模型，对前足各关节轨迹曲线进行拟合，解算其关节能量变化，利用序列二次规划算法，从能量角度优化各关节运动轨迹，旨在为手臂式挖掘机器人或者地下挖掘机器人工作肢提供一种结构设计和轨迹规划的参考思路。本文的主要研究内容如下： 通过三维扫描试验测量蝼蛄前足的生物结构特征，解算蝼蛄前足基-股节关节和股-胫节关节轴的空间位置，获取两轴空间夹角。通过高速摄像系统捕捉蝼蛄在挖掘过程中其前足胫节末端的运动轨迹，并利用挖扩力测试系统测量蝼蛄在挖掘过程中前足胫节末端的作用力，通过Matlab拟合出作用力和扩展距离的关系表达式。 基于D-H参数法，建立蝼蛄前足正运动学数学模型，并利用Matlab机器人工具箱，求解模型工作空间，解算胫节末端位姿与各关节转角的关系。通过逆向运动学方法利用胫节末端轨迹反解各关节转角，得到该模型下的四种可行运动方案。通过Matlab拟合各关节转角曲线，得到各关节运动规律表达式。 基于牛顿-欧拉法，建立蝼蛄前足逆向动力学模型，根据各关节运动轨迹求解关节角速度和角加速度，并利用逆向动力学模型求解各关节转矩；求解蝼蛄前足模型一个挖掘运动周期内所消耗的能量，对比分析逆运动学得到的四种运动方案的能耗，得出能耗最低的运动方案。 以蝼蛄前足完成一个挖掘运动周期所消耗的能量建立能量消耗目标函数模型，通过Matlab优化工具箱的序列二次规划算法，求解能耗最优条件下各关节的运动轨迹，通过对比优化结果，分析蝼蛄前足的动力驱动特征。 结果表明，优化结果基本符合蝼蛄前足运动特征，通过对比在该模型下的不同运动方式，以蝼蛄运动方式的能耗最低。本研究能够为串联式挖掘机器人的设计及改进提供参考依据。
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