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仿蝗虫机器人弹跳机理及模型研究

作　者: 郁万春
导　师: 郭伟
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 弹跳模型 双质量双弹簧 仿蝗虫跳跃机器人
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 368次
引　用: 2次
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内容摘要


仿生跳跃机器人除了具有一般跳跃机器人可以跨越障碍,躲避危险等优点外,还具有运动灵活、地面适应能力强的特点,因此受到国内外各个研究机构的高度关注。而仿生跳跃机器人的研制在国际上尚处于起步阶段,国内也刚刚开始此类课题的研究。尤其在仿生跳跃机器人的弹跳模型、跳跃机理、样机设计等关键技术方面,国际上也尚处于研究的初期阶段。因此课题着重从蝗虫跳跃机理、弹跳模型和仿生机构方面进行研究。首先系统地分析了国内外仿生跳跃机器人及弹跳模型的研究现状,得出仿生机器人较多的实现了功能仿生,在运动机理仿生方面涉及不多,基于能量法的弹跳模型在弹跳高度计算方面不准确等缺点,提出了根据蝗虫运动机理与生物特征进行仿生设计和利用模态分析及冲量定理对跳跃高度进行计算。通过对蝗虫身体结构特点及跳跃运动机理的分析,建立了仿蝗虫弹跳机器人的杆件模型,对其进行运动学和动力学的分析,得到了具有蝗虫生物特性的腿部激励形式,为仿生机构设计和跳跃激励形式提供了理论基础。通过对基于能量法的双质量弹簧模型的分析,首次将双质量双弹簧模型应用于起跳阶段,应用模态分析法及冲量定理得出其跳跃高度与弹跳力的数学表达式,解决了能量法无法确定弹跳激励形式的缺点。并应用该模型对蝗虫腿部特殊激励形式与普通的激励形式进行了比较,验证了蝗虫腿部激励的优越性。最后在理论分析的基础上,设计出仿蝗虫弹跳机器人样机,在仿真软件ADAMS中进行了虚拟样机实验,得到了机器人在跳跃高度,地面摩擦方面的数据。并进行了机器人系统实验,验证了双质量双弹簧模型跳跃高度计算及仿蝗虫腿部结构设计的正确性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-16
  1.1 课题研究的目的与意义  8
  1.2 国内外仿生弹跳机器人研究综述  8-12
    1.2.1 单足仿生跳跃机器人研究现状  8-10
    1.2.2 多足仿生跳跃机器人研究现状  10-11
    1.2.3 弹跳机器人技术特点分析  11-12
  1.3 国内外弹跳模型研究综述  12-15
    1.3.1 单足机器人弹跳模型研究现状  12-13
    1.3.2 多足机器人弹跳模型研究现状  13-14
    1.3.3 弹跳模型特性分析  14-15
  1.4 本文的主要研究内容  15-16
第2章 仿蝗虫机器人杆件模型研究  16-35
  2.1 引言  16
  2.2 蝗虫生物特征描述  16-20
    2.2.1 蝗虫总体形态描述  16-17
    2.2.2 蝗虫后腿的结构形态  17-18
    2.2.3 蝗虫跳跃腿的力学特性  18-20
  2.3 仿蝗虫机器人机构杆件模型的建立  20-21
    2.3.1 仿蝗虫跳跃机构模型  20
    2.3.2 仿蝗虫跳跃机构杆件模型的建立  20-21
  2.4 仿蝗虫机器人运动学研究  21-30
    2.4.1 起跳阶段运动模型的建立  21-24
    2.4.2 运动学正解的计算分析  24-27
    2.4.3 逆运动学求解  27-30
  2.5 仿蝗虫机器人杆件模型的动力学分析  30-34
    2.5.1 质点模型的动力学分析  30-31
    2.5.2 杆件模型的动力学分析  31-34
  2.6 本章小结  34-35
第3章 弹跳模型及激励形式的研究  35-52
  3.1 引言  35
  3.2 双质量单弹簧模型的研究  35-39
    3.2.1 双质量单弹簧起跳条件的分析  35-37
    3.2.2 不同激励下质量块响应分析  37-39
  3.3 双质量双弹簧模型的研究  39-50
    3.3.1 双质量双弹簧模型模态分析  40-41
    3.3.2 不同激励下模型响应的比较  41-50
  3.4 本章小结  50-52
第4章 仿蝗虫机器人机构设计与实验研究  52-61
  4.1 引言  52
  4.2 机构设计的基本思想  52-53
  4.3 仿蝗虫机器人机构设计  53-57
    4.3.1 蓄能机构的设计  53-54
    4.3.2 传动机构的设计  54-55
    4.3.3 释放机构的设计  55-57
  4.4 虚拟样机跳跃运动仿真实验  57-59
  4.5 仿蝗虫机器人系统实验  59-60
    4.5.1 仿蝗虫机器人样机  59
    4.5.2 实验系统的构成  59-60
    4.5.3 实验结果分析  60
  4.6 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-67
致谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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