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新型气动仿青蛙机器人设计及弹跳性能研究

作　者: 张伟
导　师: 蔡鹤皋
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 跳跃机器人仿青蛙气动肌肉运动学动力学轨迹规划
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

仿生青蛙跳跃机器人由于其越障能力强，能适应不同的地表，具有很强的环境适应能力，已经成为目前国内外研究的热点。本文在对生物青蛙肌骨骼系统进行研究的基础上，采用气动肌肉作为驱动元件，设计并研制了一种新型仿青蛙弹跳腿机构。对机器人进行建模，并对运动学、动力学和起跳轨迹规划进行了分析，通过计算机仿真和实物样机跳跃实验验证了跳跃机构设计的合理性。首先通过对国内外现有资料进行分析，总结出青蛙在跳跃过程中各关节运动轨迹规律；通过对青蛙跳跃的运动特征以及跳跃过程中腿部肌肉的伸缩情况进行分析，得出影响肌肉作用效果的因素；为了能够有效模仿生物肌肉的特性，采用Mckibben型气动肌肉作为驱动，研制出一种以气动肌肉为驱动的仿青蛙弹跳机构，并建立仿青蛙跳跃机器人的电气机械系统模型。将机器人的运动学分析分为地面阶段和腾空阶段，运用D-H方法分别对其进行运动学建模，对这两个阶段的正运动学和逆运动学问题分别进行求解。膝关节和踝关节的双关节机构采用曲柄滑块机构实现，对气动肌肉的收缩量问题进行分析，建立机器人运动与肌肉收缩量之间的转换关系。运用拉格朗日法建立了机器人跳跃过程的动力学方程。通过求解动力学逆问题，可以确定机器人在已知运动规律下的关节转矩大小。同时为了进行弹跳性能的分析，利用基于遗传算法的轨迹规划方法，以最小关节转矩为优化目标，在关节空间对机器人运动进行分析。在ADAMS虚拟环境中，利用弹簧阻尼单元模拟气动肌肉输出，对仿青蛙机器人的运动进行仿真。最后利用所研制的仿青蛙弹跳腿样机，进行了垂直跳跃实验与跳箱子实验，仿真和实验效果验证了气动肌肉驱动的仿青蛙弹跳机器人设计的可行性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 仿生跳跃机器人的研究现状  10-14
    1.2.1 国外研究现状  10-12
    1.2.2 国内研究现状  12-14
  1.3 气动肌肉驱动器综述  14-15
  1.4 主要研究内容  15-16
第2章仿青蛙跳跃机器人设计  16-25
  2.1 引言  16
  2.2 青蛙生物特征  16-18
    2.2.1 青蛙运动特征  16
    2.2.2 青蛙腿部伸肌分析  16-18
    2.2.3 影响肌肉作用效果的参数  18
  2.3 气动肌肉特性  18-20
    2.3.1 气动肌肉模型介绍  18-19
    2.3.2 气动肌肉输出特性  19-20
    2.3.3 气动肌肉与生物肌肉对比  20
  2.4 机器人电气机械模型的建立  20-24
    2.4.1 机器人机构模型建立  20-21
    2.4.2 机器人机械机构设计  21-24
    2.4.3 机器人电气系统模型  24
  2.5 本章小结  24-25
第3章机器人运动学分析  25-41
  3.1 引言  25
  3.2 地面阶段运动学分析  25-31
    3.2.1 机器人运动模型的建立  25-27
    3.2.2 正运动学问题  27-28
    3.2.3 逆运动学问题  28-30
    3.2.4 地面阶段速度求解  30-31
  3.3 腾空阶段运动学分析  31-35
    3.3.1 机器人模型的建立  31-32
    3.3.2 正运动学问题  32-34
    3.3.3 逆运动学问题  34-35
  3.4 气动肌肉的运动学分析  35-40
    3.4.1 滑块位移  35-36
    3.4.2 关节运动分析  36
    3.4.3 气动肌肉收缩量的计算  36-38
    3.4.4 气动肌肉运动学逆问题  38-40
  3.5 本章小结  40-41
第4章机器人动力学分析与关节轨迹规划  41-58
  4.1 引言  41
  4.2 起跳阶段动力学分析  41-45
    4.2.1 动力学方程的建立  41-44
    4.2.2 起跳判据分析  44-45
  4.3 腾空阶段动力学分析  45-48
  4.4 着陆阶段动力学分析  48-50
    4.4.1 机器人落地过程  48
    4.4.2 动力学方程的建立  48-50
  4.5 跳跃轨迹规划  50-52
    4.5.1 轨迹规划模型的建立  50-52
    4.5.2 基于遗传算法的轨迹规划  52
  4.6 MATLAB 仿真结果  52-57
    4.6.1 轨迹规划结果  52-56
    4.6.2 动力学方程验证  56-57
  4.7 本章小结  57-58
第5章仿真与实验  58-65
  5.1 引言  58
  5.2 跳跃机器人仿真  58-61
    5.2.1 基于 ADAMS 的虚拟仪器仿真  58-59
    5.2.2 运动学方程的验证  59-61
  5.3 仿青蛙弹跳腿起跳实验  61-64
    5.3.1 弹跳腿样机实验平台  61-62
    5.3.2 机器人跳跃实验  62-64
  5.4 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-69
攻读学位期间发表的学术论文  69-71
致谢  71

新型气动仿青蛙机器人设计及弹跳性能研究

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