仿生跳跃机器人技术的研究

论文摘要

仿生跳跃机器人具有体积小、重量轻的优点并可以跃过数倍于自身高度的障碍物或沟渠,跳跃运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险,在现代化战争和航天探测领域将会有广泛的应用。由于技术上的困难,目前国际上对跳跃机器人还处于初始研究阶段,仿生跳跃式机器人的关键是实现跳跃姿态调整的连续跳跃以及跳跃高度的最优性。本文首先系统分析了国内外跳跃机器人的研究现状,并对单足和多足跳跃机器人进行了对比。以仿生昆虫的跳跃为研究对象,比较和分析几种昆虫跳跃的生物原型,根据昆虫运动机理及仿生学的研究内容,对仿生昆虫进行力学仿生及功能仿生本文提出了符合昆虫跳跃运动特征的跳跃机构模型,采用MATLAB-Simulink模块对SMA驱动的仿生跳跃机构模型进行运动学分析,运用拉格朗日方法进行机构模型的动力学分析,同时对机器人蓄能部件扭簧进行优化设计。本文的许多分析过程与研究结论对于连续性跳跃式机器人的研究具有参考意义。通过对新型材料——形状记忆合金（Shape Memory Alloy,简称SMA）性能的分析,将SMA弹簧作为驱动器应用于跳跃机器人装置,使跳跃机器人在控制系统的控制下能够完成复位、蓄能、触发及跳跃的四种动作循环。通过以上的分析,设计出形状记忆合金驱动的仿生跳跃机器人实物模型,通过实验装置验证具有四种动作循环状态的技术可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 仿生跳跃机器人的研究目的及意义
• 1.2 仿生跳跃机器人的国内外研究现状
• 1.2.1 国外仿生跳跃机器人研究现状
• 1.2.2 国内仿生跳跃机器人研究现状
• 1.3 仿生跳跃机器人的发展趋势
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.4.1 研究构想与思路
• 1.4.2 研究方法及目标
• 1.4.3 内容安排
• 1.5 本章小结
• 第2章 昆虫生物原型的比较
• 2.1 蟋蟀、蝗虫、跳蚤生物原型的比较
• 2.1.1 蟋蟀、蝗虫的身体结构及后腿跳跃运动特点
• 2.1.2 跳蚤的身体结构及后腿跳跃运动特点
• 2.2 本章小结
• 第3章 利用SMA驱动的跳跃机器人的运动学分析
• 3.1 形状记忆合金弹簧驱动器的性能分析及其选择
• 3.1.1 形状记忆合金的特性
• 3.1.2 形状记忆合金驱动器的驱动方式
• 3.2 圆柱螺旋扭转弹簧的设计计算
• 3.3 形状记忆合金驱动的跳跃机器人起跳过程的运动学分析
• 3.3.1 形状记忆合金驱动的仿生跳跃机器人杆件机构模型坐标系的建立
• 3.3.2 形状记忆合金驱动的跳跃机器人的机构模型
• 3.3.3 起跳过程位姿矩阵的建立
• 3.3.4 起跳过程的速度分析
• 3.3.5 起跳过程的加速度分析
• 3.3.6 对SMA驱动的跳跃机器人进行运动学正解问题的分析
• 3.4 形状记忆合金驱动的跳跃机器人腾空过程的运动学分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 形状记忆合金驱动的跳跃机器人的动力学分析
• 4.1 形状记忆合金驱动的跳跃机器人杆件系统的动力学分析
• 4.1.1 建立SMA弹簧驱动的仿生跳跃机器人的运动方程
• 4.1.2 起跳过程的运动方程的建立
• 4.1.3 SMA弹簧驱动的跳跃机器人的动力学分析
• 4.2 系统的势能
• 4.3 本章小结
• 第5章 跳跃运动能量分析及扭簧的优化
• 5.1 形状记忆合金驱动的跳跃机器人跳跃运动的能量分析
• 5.2 扭簧的优化设计
• 5.2.1 建立数学模型
• 5.2.2 目标函数
• 5.2.3 约束条件
• 5.3 本章小结
• 第6章 控制系统的组成及机器人起跳过程动量矩分析
• 6.1 SMA驱动的仿生跳跃机器人控制系统的组成
• 6.2 起跳过程动量矩分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 形状记忆合金跳跃机器人的实验结果及分析
• 7.1 不同型号跳跃机器人的实验模型与数据采集的对比
• 7.2 控制系统所在位置对跳跃高度的影响
• 7.3 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间研究成果