仿蛙机器人设计及起跳阶段运动机理研究

论文摘要

跳跃机器人具有运动快速、灵活和越野能力强的特点,特别适合在各种恶劣复杂地形环境下执行任务,而且弹跳运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险。跳跃机器人的这些优点,已经使其成为研究人员关注的热点。目前国内外针对仿生多关节跳跃机器人的研究尚处于起步阶段。青蛙具有良好的跳跃能力,是极佳的仿生原型。本文从形态和原理两方面来对青蛙的跳跃运动机理进行仿生研究。建立了包含青蛙前腿、后腿在内的多关节、多自由度的仿蛙机器人模型。并对其起跳阶段运动机理进行了研究。本文首先在分析青蛙的生理结构特点和跳跃运动特征的基础上,抽象出可以反映跳跃运动特点的五关节简化模型。在综合分析目前国内外仿生跳跃机器人的基础上,确定了仿蛙机器人需要遵循的设计准则。并且按照准则设计了采用同步带传动,且具有弹性关节的五关节样机。在分析起跳阶段青蛙的运动特点后,将起跳过程划分为描述前后腿均与地面接触的“双腿着地状态”和前腿离开地面只有后腿与地面接触的“后腿着地状态”两个阶段。按照并联机构理论建立了“双腿着地状态”运动学模型,采用矢量法对其正逆运动学进行了求解。采用由支链雅可比矩阵组装并联机构雅可比矩阵的方法,求解了“双腿着地状态”的雅可比矩阵。运用Matlab对“双腿着地状态”运动学的正解、逆解进行了仿真分析。按照串联机械臂理论建立了“后腿着地状态”运动学模型,采用D-H法对其正逆运动学进行求解,求解了雅可比矩阵。在此基础上,分析了仿蛙机器人起跳的判断条件,通过建立各个角度之间的关系,并对脚掌与地面夹角进行规划,求解起跳过程运动机理。运用Matlab对“后腿着地状态”的运动机理进行仿真对比研究分析。基于多刚体系统动力学理论,建立了由躯干、大腿、小腿、脚掌四部分组成的仿蛙机器人四刚体模型。使用拉格郎日第二类方程,建立了后腿着地起跳阶段的动力学方程。并运用Matlab编程,在第四章获得的数据的基础上,研究了后腿着地起跳阶段各关节的转矩特性。并通过实验样机验证了弹性关节形式的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题目的及意义
• 1.2 国内外相关领域的研究现状、水平、发展方向
• 1.2.1 国外相关情况
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 仿蛙机器人方案设计
• 2.1 青蛙生理结构与运动特点分析
• 2.1.1 青蛙的生理结构
• 2.1.2 青蛙跳跃过程分析
• 2.1.3 仿蛙机器人模型建立
• 2.2 仿蛙机器人设计准则
• 2.3 仿蛙机器人结构设计
• 2.3.1 仿蛙机器人总体结构
• 2.3.2 肢体结构设计
• 2.3.3 传动系统设计
• 2.3.4 脚掌与小臂设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 双腿着地阶段运动特性分析
• 3.1 青蛙起跳过程分析
• 3.2 双腿着地状态运动学模型建立
• 3.2.1 质量分布与质心位置确定
• 3.2.2 运动学模型
• 3.3 位姿正解分析
• 3.3.1 位姿分析
• 3.3.2 位姿正解仿真
• 3.4 位姿逆解
• 3.4.1 位姿逆解分析
• 3.4.2 位姿逆解仿真分析
• 3.5 双腿着地状态雅可比矩阵
• 3.5.1 雅可比矩阵
• 3.5.2 速度分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 后腿着地阶段跳跃运动特性分析
• 4.1 后腿着地状态运动学模型建立
• 4.2 后腿着地状态运动学分析
• 4.2.1 运动学正解
• 4.2.2 运动学逆解
• 4.3 后腿着地状态雅可比矩阵
• 4.3.1 雅可比矩阵
• 4.3.2 速度分析
• 4.4 跳跃轨迹规划
• 4.4.1 轨迹规划
• 4.4.2 起跳判断条件
• 4.5 起跳过程仿真分析
• 4.5.1 起跳过程仿真
• 4.5.2 调节系数对跳跃性能的影响
• 4.5.3 滞后系数对跳跃性能的影响
• 4.5.4 调节系数与滞后系数对跳跃性能的影响
• 4.5.5 调节系数与滞后系数对跳跃性能的影响分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 后腿着地阶段起跳过程动力学、仿真及试验
• 5.1 引言
• 5.2 动力学建模
• 5.3 系统动能和势能
• 5.4 拉格郎日第二类方程
• 5.5 实例计算及仿真分析
• 5.6 样机试验
• 5.6.1 实验样机原理方案与结构设计
• 5.6.2 样机试验
• 5.6.3 试验现象分析
• 5.7 本章小结
• 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