摘要
油气管道在人类的生产和生活中扮演着至关重要的角色，定期对油气管道进行检修尤为关键，软体爬行机器人能很好地辅助人类完成这项工作。相比于传统的刚性机器人，软体机器人具有良好的柔顺性和较强的伸展性，能更好地适应复杂多变的环境，在舒适性和安全性方面也极具优势。通过模仿自然界生物的结构与功能，大量仿生软体机器人被研制出来，在工业、农业、医疗和国防等领域有重要的潜在应用，成为近年来的研究热点之一。 本文以仿尺蠖软体爬行机器人为研究对象，提出了一种由电机-线缆驱动的双向爬行机器人，完成了机器人的整体设计、仿真分析、加工制作及爬行试验。首先，在尺蠖外形结构和爬行步态分析的基础上，设计了仿尺蠖软体爬行机器人的整体结构。机器人由三段高弹性硅胶制成的锯齿状柔性体组成，随着电机的有序驱动，柔性体产生单侧弯曲，实现了机器人“Ω”形的爬行运动。其次，研究了仿尺蠖软体爬行机器人的力学特性。在静力学方面，计算了机器人头尾和腹部柔性体受线缆牵拉时的变形、应力和应变，并根据计算结果对柔性体结构进行了改进。在动力学方面，基于各柔性体段有限元模型，建立了爬行机器人头尾和腹部柔性体的离散和连续柔体动力学模型，计算了在线缆驱动下各柔性体的运动轨迹，验证了设计结构的可行性。最后，制作了两种尺寸的仿尺蠖软体爬行机器人样机，对机器人样机进行了爬行性能测试。使用3D打印和模具浇注法制作了机器人样机，进行了水平爬行、上坡爬行、负载爬行及管道爬行等性能测试，并将两种尺寸机器人的爬行性能进行了对比分析。 研究表明，本文提出的线缆驱动式仿尺蠖软体爬行机器人以头尾部分作为锚定机构，以腹部部分作为驱动机构，在三个电机的有序控制下能够顺利完成“Ω”形的双向爬行，且具有良好的爬行性能。本研究可以为软体爬行机器人在油气管道的安全性监测和维修等方面的应用，提供理论和实验研究的新思路。
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