仿袋鼠跳跃机器人运动学及动力学研究

论文摘要

仿袋鼠跳跃机器人的研究是机器人领域的一个前沿性课题。袋鼠为双足同步跳跃模式，具有速度快、运动稳健、立足面小及耗能低等优点。仿袋鼠跳跃机器人的结构及控制简单，智能化要求不高，可适应在非结构化、未知环境下工作，能灵活、可靠地执行任务，因而它可广泛地用于星际探测、军事侦察、地质勘探、森林防护、抢险救灾以及反恐防爆等领域。本文提出了借助于生物运动录像资料研究仿生机构的方法。基于对袋鼠跳跃录像资料的分析，采用理论建模与计算仿真的研究方法，在研究搞清袋鼠生物系统的跳跃运动结构、形态及特征及其运动机理的基础上，提出了仿袋鼠跳跃机器人机构模型，进而进行了仿生跳跃运动学及动力学研究，建立了仿袋鼠跳跃机器人机构分析理论及设计方法，从机构学角度揭示了袋鼠跳跃的运动机理，为仿袋鼠跳跃机器人的实现，解决其弹跳机构、弹跳动力等关键技术奠定理论基础。通过对袋鼠跳跃录像资料分析，结合其生物学研究成果，研究了袋鼠生物系统运动结构的尺寸比例和质量分布规律，分析了袋鼠跳跃的运动形态和特征，以及其腿部肌腱、柔性长脚及尾巴的特殊功能；基于袋鼠腿部的弹簧-质量模型，推导了其跳跃时地面反力、能量变化及腿部当量弹簧刚度系数计算公式，揭示了袋鼠跳跃运动结构与形态上的一些规律和影响跳跃运动的主要因素及主要参数，发现了一些有价值的仿生研究点。针对袋鼠跳跃运动特征，提出了具有柔性脚趾的仿袋鼠跳跃多杆机构模型，建立了着地与腾空两个阶段的仿袋鼠跳跃单腿机构分析模型及坐标系，分析了相应的运动参数及其取值范围以及坐标变换矩阵，为仿袋鼠跳跃机器人的运动学及动力学研究提供了基础。建立了仿袋鼠机器人跳跃运动步态的运动学。应用D-H法和矩阵乘逆法分别从着地和腾空两个阶段对机器人进行了正、逆位姿分析，给出了位姿正解方程和逆解解析式；通过机器人雅可比矩阵和微分运动分析，建立了仿袋鼠机器人速度分析的方法；采用Matlab编程，结合实例对模型进行了运动步态仿真计算分析。研究表明，模型的跳跃步态和质心运动等特性与现有实验测试规律吻合较好，揭示了袋鼠跳跃跃远度大、运动平稳及耗能低的运动学规律。建立了考虑落地冲击的仿袋鼠跳跃机器人跳跃全过程多刚体系统动力学模型。针对袋鼠跳跃运动的特点，从跳跃运动的腾空、冲击及着地三个阶段，建立了仿袋鼠机器人四刚体系统动力学模型和冲击模型，应用Lagrange方法和动量矩定理，建立了对应三个阶段的系统动力学方程和躯干摆动方程，研究了机器人全跳跃周期的关节空间的轨迹规划，推导给出了相应的公式；利用Matlab工具，对结构仿生的跳跃机构模型进行了轨迹规划和运动及动力特性仿真计算研究。结果表明：该模型能达到模拟袋鼠跳跃运动步态和特性的要求，可以用来预测机器人整个跳跃过程的跳跃姿态、质心轨迹、关节驱动力矩和地面反力以及冲击情况，但在加速度预测尚存在一定的误差。所建立的仿生跳跃机器人全程多刚体动力学的理论及方法具有指导意义。提出了仿袋鼠柔性跳跃机器人机构模型及其动力特性分析方法。采用线性扭转弹簧模拟关节柔性和袋鼠腱储存弹性能的作用，提出了仿袋鼠柔性关节的单腿跳跃机构伪刚体模型，用凯恩法建立了系统动力学方程，给出了着地阶段各关节驱动力矩方程；用柔性悬臂梁结构模拟袋鼠柔性脚趾弹性变形及缓冲作用，提出了仿袋鼠柔性脚趾的动力学模型，应用弯矩作用的柔性悬臂梁形变理论，分析给出了机器人柔性脚趾对趾关节位置影响的规律、环境动力学方程和起跳离地条件。结合实例对上述动力特性进行了仿真计算分析。结果表明：柔性关节可有效降低踝关节驱动力矩的峰值，使其得以均衡，有利于解决弹跳机器人电机驱动的关键技术；柔性脚趾模型能有效增大起跳时间，提高弹跳初速度和改善脚部压力，可增强对环境适应的范围；揭示了袋鼠跟腱发达的动力学机理。为仿袋鼠柔性弹跳机器人的设计与控制提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 弹跳机器人的研究现状
• 1.2.1 一般弹跳机器人的研究现状
• 1.2.2 仿生弹跳机器人的研究现状
• 1.2.3 仿生弹跳机器人理论及方法研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 1.3.1 研究方案
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 主要创新点
• 1.3.4 内容安排
• 第2章 袋鼠生物系统的跳跃运动及力特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 袋鼠生物系统的运动结构
• 2.2.1 袋鼠生物体的运动结构
• 2.2.2 袋鼠运动结构的比例关系
• 2.3 袋鼠运动结构的一些特殊功能
• 2.3.1 肌肉、腱和韧带
• 2.3.2 柔性长脚
• 2.3.3 尾巴
• 2.4 袋鼠跳跃的运动形态
• 2.4.1 袋鼠行走的运动形态
• 2.4.2 袋鼠跳跃的运动形态
• 2.4.3 袋鼠跳跃的背屈现象
• 2.5 袋鼠跳跃的运动特征
• 2.5.1 质心运动轨迹
• 2.5.2 运动特征参数
• 2.5.3 主要运动特征
• 2.6 袋鼠跳跃运动的力特性分析
• 2.6.1 数学模型
• 2.6.2 着地阶段的地面反力
• 2.6.3 跳跃运动的能量变化
• 2.6.4 袋鼠腿部的弹性
• 2.6.5 实例分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 仿袋鼠跳跃机构模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 仿袋鼠跳跃机器人机构建模
• 3.2.1 仿袋鼠跳跃机构模型
• 3.2.2 仿袋鼠跳跃单腿机构模型
• 3.3 仿袋鼠跳跃着地阶段的单腿机构分析模型
• 3.3.1 机构分析模型
• 3.3.2 机构的结构及运动参数
• 3.3.3 坐标变换关系
• 3.4 仿袋鼠跳跃腾空阶段的单腿机构分析模型
• 3.4.1 机构分析模型
• 3.4.2 机构的结构及运动参数
• 3.4.3 坐标变换关系
• 3.5 本章小结
• 第4章 仿袋鼠机器人跳跃运动步态的运动学
• 4.1 引言
• 4.2 仿袋鼠跳跃机器人的正运动学
• 4.2.1 着地阶段跳跃运动步态的分析
• 4.2.2 腾空阶段跳跃运动位姿分析
• 4.3 仿袋鼠跳跃机器人的逆运动学
• 4.3.1 着地阶段的逆运动学解
• 4.3.2 腾空阶段的逆运动学解
• 4.4 仿袋鼠机器人跳跃运动的速度分析
• 4.4.1 机器人的雅可比矩阵及速度方程
• 4.4.2 机器人着地阶段的雅可比矩阵
• 4.4.3 机器人腾空阶段的雅可比矩阵
• 4.5 跳跃运动步态及速度仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 仿袋鼠跳跃机器人多刚体系统动力学
• 5.1 引言
• 5.2 仿袋鼠跳跃机器人四刚体机构模型
• 5.3 跳跃机器人动力学理论
• 5.3.1 腾空阶段
• 5.3.2 落地冲击阶段
• 5.3.3 着地阶段
• 5.4 机器人跳跃运动轨迹规划
• 5.4.1 轨迹规划策略
• 5.4.2 跳跃机器人关节空间的轨迹规划
• 5.5 实例分析与仿真计算
• 5.6 本章小结
• 第6章 仿袋鼠柔性跳跃机器人的动力特性研究
• 6.1 引言
• 6.2 仿袋鼠柔性跳跃机构模型
• 6.3 考虑关节柔性的跳跃机器人动力学分析
• 6.3.1 柔性关节的扭转弹簧及其等效扭转刚度
• 6.3.2 构件质心的运动
• 6.3.3 偏速度与偏角速度
• 6.3.4 广义主动力和广义惯性力
• 6.3.5 动力学微分方程
• 6.4 考虑脚趾柔性的仿袋鼠机器人动力学
• 6.4.1 柔性脚趾的模型
• 6.4.2 环境动力学方程
• 6.4.3 起跳离地条件分析
• 6.5 实例计算与结果分析
• 6.6 与国外实验测试研究结果对比分析
• 6.7 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文、科研及获奖情况
• 致谢