单足弹跳机器人虚拟样机关键技术的研究

论文摘要

本课题来源于黑龙江省自然科学基金项目,论文以建立一个对复杂地形高度适应、性能可靠、并具有灵活运动能力的单足弹跳机器人为目标,分别对单足弹跳机器人和它的弹性腿—弹性驱动器的机械本体结构设计、动力学模型开展了研究。首先,分析国内外大量弹跳机器人以及它们的驱动装置相关技术研究的现状。根据机器人弹跳过程中的运动特征和生物肌肉的变刚度特点,结合传统的单刚度弹性驱动器的设计,提出了一种双刚度弹性驱动器,从而在驱动过程中根据负载大小可以被动调节驱动器弹簧的刚度,更好地模拟生物体的肌肉特性;根据双刚度弹性驱动器的弹簧特征,建立了双串联和双并联弹性驱动器的新型机械结构设计,详细对这两种新型机械结构形式的动力学进行了分析;介绍了电机驱动弹性驱动器各组成元素的选取原则、机械结构并对它的硬件电路和控制软件进行了设计。其次,建立了单足弹跳机器人的机械结构模型并对其弹跳腿驱动方式的选择进行了详细的论证。分析了基于Symmetrical Running的平面单足弹跳机器人动力学,得出了弹跳机器人弹跳高度、前进速度、身体姿态调整的控制方法和策略。最后,利用虚拟样机仿真软件ADAMS和机械系统控制软件MATLAB/Simulink建立了电机驱动弹性驱动器和单足弹跳机器人虚拟模型,进行了大量仿真实验。对电机驱动弹性驱动器作了控制性能和机械输出阻抗特性的仿真实验;对单足弹跳机器人整体做了弹跳高度、前进速度和身体姿态调整仿真实验。通过仿真实验,验证了两种研究对象结构设计的正确性,得到了一些非常有价值的数据和有益的结论,为单足弹跳机器人物理样机的研制提供了有力的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究意义及背景
• 1.2 弹跳机器人及其驱动装置研究现状
• 1.3 虚拟样机技术概述
• 1.4 论文完成的主要工作内容
• 1.4.1 论文的主要研究内容
• 1.4.2 论文结构
• 第2章 弹性驱动器
• 2.1 引言
• 2.2 弹性驱动器特性分析
• 2.3 单刚度弹性驱动器动力学分析
• 2.4 不考虑弹簧压缩量的双串联弹性驱动器动力学分析
• 2.5 考虑弹簧压缩量的双并联弹性驱动器动力学分析
• 2.5.1 模型假设
• 2.5.2 驱动器动力学分析
• 2.5.3 模型评价
• 2.5.4 实例计算与结果分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 电机驱动弹性驱动器本体设计
• 3.1 引言
• 3.2 电机驱动弹性驱动器简介
• 3.2.1 简介
• 3.2.2 弹性驱动器的应用
• 3.3 电机驱动弹性驱动器组成元素的选取
• 3.3.1 电机驱动弹性驱动器选取原则
• 3.3.2 电机驱动弹性驱动器各组成元素的选择
• 3.4 电机驱动弹性驱动器机械本体设计
• 3.4.1 电机驱动弹性驱动器的整体结构及动力传递过程
• 3.4.2 电机驱动弹性驱动器的结构设计
• 3.5 电机驱动弹性驱动器控制电路及控制软件
• 3.5.1 总体控制思想
• 3.5.2 电机驱动弹性驱动器控制系统硬件结构
• 3.5.3 电机驱动弹性驱动器控制系统软件设计
• 3.6 本章小节
• 第4章 单足弹跳机器人
• 4.1 引言
• 4.2 单足弹跳机器人简介及研究意义
• 4.3 单足弹跳机器人机械本体设计
• 4.3.1 单足弹跳机器人驱动方式的选择
• 4.3.2 弹性驱动器关键零件的设计
• 4.3.3 单足弹跳机器人的结构设计
• 4.4 基于Symmetrical Running的单足弹跳机器人动力学及控制方法分析
• 4.4.1 跳跃高度控制
• 4.4.2 有限状态机
• 4.4.3 向前弹跳速度
• 4.4.4 对称与非对称
• 4.4.5 身体姿态控制
• 4.5 本章小节
• 第5章 单足弹跳机器人仿真实验
• 5.1 引言
• 5.2 仿真软件的选择
• 5.2.1 机械系统仿真软件ADAMS
• 5.2.2 机械系统控制仿真软件Matlab/Simulink
• 5.3 电机驱动弹性驱动器仿真实验
• 5.3.1 仿真环境及仿真模型的建立
• 5.3.2 电机驱动弹性驱动器仿真实验
• 5.4 单足弹跳机器人仿真实验
• 5.4.1 仿真环境及仿真模型的建立
• 5.4.2 单足弹跳机器人平面弹跳实验
• 5.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢