跳跃式机器人机构设计与动力学分析

论文摘要

跳跃式机器人可以跃过数倍于自身高度的障碍物或沟渠,对地形有较强的适应力,且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,目前国际上还处于初始研究阶段,尚无可实际应用的跳跃式机器人。跳跃式机器人可分为连续性跳跃式机器人与间歇性跳跃式机器人,其中间歇性跳跃式机器人不需要时刻保持对机体的平衡控制,又具有构建简单、跳跃高度大等特点。本文以间歇性跳跃式机器人为研究对象,构建了多种跳跃机构和集跳跃运动、轮式移动两种运动方式的间歇性跳跃式机器人,并对其进行了动力学方面的分析。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也有参考意义。论文的主要内容如下:1.对比分析了连续性跳跃运动和间歇性跳跃运动、连续性跳跃式机器人和间歇性跳跃式机器人的异同点,概述了跳跃式机器人的研究起源、国内外研究现状及其发展趋势,总结了跳跃式机器人的主要构建方法,指出了跳跃式机器人目前研究面临的主要问题,并提出了可行的解决途径,给出了跳跃式机器人的诸多实例。2.给出了线性弹性腿跳跃机构、六杆式蓄能腿跳跃机构、改进后的六杆式蓄能腿跳跃机构等三种跳跃机构的机构设计与工作原理分析。设计了一个同时具有轮式移动、跳跃两种运动方式的自主式运动机器人的机械结构。该机器人在较平坦地形下采用轮式移动方式前行,遇到障碍物或沟渠时,可以进行跳跃,从而扩大运动范围。首先概括介绍了该机器人的总体结构和运动过程,然后详细分析了机器人的跳跃机构、跳跃参数调节机构、倾覆翻转机构、落地缓冲机构等关键机构的工作原理,并给出了机构设计方案。根据总体设计要求计算了关键参数,并选定了蓄能弹簧、压缩锁定释放电机、起跳角度调节电机、行走电机、拉伸钢丝绳等器件。3.给出了单自由度质量-弹簧系统模型、双质量-弹簧系统模型等基本跳跃模型的动力学分析,得出了模型的起跳条件、能量损失原因等结论。把驱动机构和跳跃机构一起加以考虑,综合了各种阻尼的影响,构建了线性弹性腿跳跃模型、六杆式蓄能腿跳跃模型、带有扭簧的六杆式蓄能腿跳跃模型等三种跳跃模型。采用二阶拉格朗日方程分析方法,对其进行了动力学分析和比较,求出了这三种跳跃模型的动力学状态方程和跳跃高度、能量损失的计算公式。从影响跳跃高度的因素、跳跃过程中能量损失的主要原因、影响跳跃的其它因素等三方面入手,具体分析了影响跳跃运动的诸多因素。4.建立了间歇性跳跃式机器人模型,对其单环跳跃轨迹进行了计算分析,绘出了单环跳跃轨迹抛物线顶点构成的椭圆。把轨迹预测理论应用于水平地面跳跃、跃过沟渠、跨越障碍物、跃上或跃下台阶等几种典型地形下跳跃过程的分析中。给出了该模型的跳跃控制函数,提出了单环跳跃代价函数和总体跳跃代价函数的概念,并应用于跳跃式机器人的多环跳跃序列规划。给出了该跳跃式机器人的一个多环跳跃序列规划过程。以质量-弹簧跳跃模型为分析对象,研究了前向神经网络理论在跳跃运动分析中的应用。采用神经网络仿真软件NeuroSolutions构建了该前向神经网络分析器,并给出了仿真过程及仿真结果,且用袋鼠和人体跳跃过程中的一些参数来验证此MLPs神经网络分析器。结果表明其具有良好的分析效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 跳跃运动和跳跃式机器人
• 1.2.1 跳跃运动
• 1.2.2 跳跃式机器人
• 1.2.3 跳跃式机器人主要构建方法
• 1.3 跳跃式机器人研究现状及发展趋势
• 1.3.1 跳跃式机器人研究起源
• 1.3.2 跳跃式机器人研究现状
• 1.3.3 跳跃式机器人的发展趋势
• 1.4 跳跃式机器人面临的问题和解决方案
• 1.4.1 跳跃式机器人面临的问题
• 1.4.2 可行的解决方案
• 1.5 课题来源和研究意义
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 研究意义
• 1.6 论文研究思路和章节安排
• 第二章 三种弹性蓄能腿跳跃机构设计
• 2.1 线性弹性腿机构设计
• 2.2 六杆式蓄能腿机构设计
• 2.3 改进后的六杆式蓄能腿机构设计
• 2.4 机构设计存在的缺陷及可行的改进途径
• 2.5 本章小结
• 第三章 跳跃式机器人机构设计及参数选择
• 3.1 构建目标及设计准则
• 3.2 总体结构
• 3.3 动作过程
• 3.4 关键机构设计
• 3.4.1 跳跃机构
• 3.4.2 起跳参数调节机构
• 3.4.3 倾覆翻转机构
• 3.4.4 缓冲机构
• 3.5 关键参数选择
• 3.5.1 蓄能弹簧
• 3.5.2 压缩锁定释放电机
• 3.5.3 起跳角度调节电机
• 3.5.4 行走电机
• 3.5.5 拉伸钢丝绳
• 3.6 本章小结
• 第四章 动力学分析基础和基本跳跃模型分析
• 4.1 动力学分析基础
• 4.1.1 牛顿-欧拉方程
• 4.1.2 拉格朗日方程法
• 4.1.3 高斯最小拘束原理法
• 4.1.4 凯恩方程法
• 4.1.5 动力学分析方法比较
• 4.2 基本跳跃模型分析
• 4.2.1 单自由度质量-弹簧系统模型
• 4.2.2 双质量-弹簧系统模型
• 4.3 双质量-弹簧系统模型落地缓冲的分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 三种实际跳跃模型的动力学分析
• 5.1 线性弹性腿跳跃模型动力学分析
• 5.1.1 线性弹性腿跳跃模型
• 5.1.2 地面接触阶段
• 5.1.3 起跳瞬时
• 5.1.4 腾空阶段
• 5.1.5 触地瞬时
• 5.1.6 垂直跳跃高度
• 5.2 六杆式蓄能腿跳跃模型动力学分析
• 5.2.1 六杆式蓄能腿跳跃模型
• 5.2.2 地面接触阶段
• 5.2.3 起跳瞬时
• 5.2.4 腾空阶段
• 5.2.5 触地瞬时
• 5.2.6 垂直跳跃高度
• 5.3 带有扭簧的六杆式蓄能腿跳跃模型动力学分析
• 5.3.1 带有扭簧的六杆式蓄能腿跳跃模型
• 5.3.2 地面接触阶段
• 5.3.3 腾空阶段
• 5.3.4 起跳瞬时和触地瞬时
• 5.3.5 垂直跳跃高度
• 5.4 三种跳跃模型的计算结果
• 5.4.1 三种跳跃模型的参数选择
• 5.4.2 三种跳跃模型的理论计算
• 5.5 三种跳跃模型的对比分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 影响跳跃运动的因素分析
• 6.1 影响跳跃高度的因素
• 6.1.1 重力加速度
• 6.1.2 质量
• 6.1.3 机构的效率
• 6.1.4 能量质量比
• 6.1.5 地面非完全刚性
• 6.2 跳跃过程中能量损失的主要原因
• 6.2.1 跳跃机构内部零件间摩擦
• 6.2.2 触地时与地面的碰撞
• 6.2.3 动力装置弹性能的释放非瞬时完成
• 6.2.4 间歇性跳跃运动方式带来的能量损失
• 6.3 影响跳跃的其它因素
• 6.3.1 落足点限制
• 6.3.2 能量限制
• 6.3.3 地形限制
• 6.4 本章小结
• 第七章 单环跳跃轨迹预测与多环跳跃序列规划
• 7.1 单环与多环跳跃
• 7.2 跳跃式机器人模型
• 7.3 单环跳跃轨迹的理论分析
• 7.3.1 单环跳跃轨迹的理论基础
• 7.3.2 单环跳跃过程中可能存在的“鱼跃”运动分析
• 7.4 典型地形下的单环跳跃轨迹分析
• 7.4.1 水平地面单环跳跃轨迹分析
• 7.4.2 跃过沟渠的单环跳跃轨迹分析
• 7.4.3 跃过可忽略宽度障碍物的单环跳跃轨迹分析
• 7.4.4 跃过不可忽略宽度障碍物的单环跳跃轨迹分析
• 7.4.5 跃上或跃下台阶的单环跳跃轨迹分析
• 7.5 多环跳跃的跳跃序列规划
• 7.5.1 跳跃式机器人多环跳跃序列规划简介
• 7.5.2 跳跃控制函数
• 7.5.3 单环跳跃代价函数
• 7.5.4 总体跳跃代价函数
• 7.6 一个多环跳跃的跳跃序列规划过程
• 7.7 本章小结
• 第八章 神经网络理论在质量-弹簧模型跳跃运动分析中的应用
• 8.1 研究现状概述
• 8.2 神经网络理论基础
• 8.3 质量-弹簧模型介绍
• 8.4 质量-弹簧模型的运动分析与控制方法
• 8.5 神经网络仿真软件NEUROSOLUTIONS 简介
• 8.6 分析器设计
• 8.6.1 训练样本的选择
• 8.6.2 MLPs 分析器设计
• 8.6.3 训练结果
• 8.7 采用袋鼠和人体跳跃过程参数验证MLPS分析器
• 8.7.1 采用袋鼠跳跃过程参数验证MLPs 分析器
• 8.7.2 采用人体跳跃过程参数验证MLPs 分析器
• 8.8 本章小结
• 第九章 实验、仿真与分析
• 9.1 三种跳跃机构的跳跃实验及分析
• 9.1.1 性能参数
• 9.1.2 跳跃实验
• 9.1.3 结果分析
• 9.2 六杆式蓄能腿跳跃机构负载能力实验
• 9.2.1 跳跃试验
• 9.2.2 结果分析
• 9.3 六杆式蓄能腿跳跃模型跳跃过程仿真
• 9.3.1 使用工具及仿真步骤介绍
• 9.3.2 模型的参数选择
• 9.3.3 跳跃运动仿真过程
• 9.3.4 仿真结果
• 9.3.5 结果分析
• 9.4 本章小结
• 第十章 总结与展望
• 10.1 本文总结
• 10.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文