仿青蛙跳躍機(jī)器人的研制.pdf

1、仿生跳躍機(jī)器人研究是機(jī)器人領(lǐng)域的一個前沿性課題。由于機(jī)器人不僅具備生物體結(jié)構(gòu)和行為方式合理、靈活和高效的特征，其跳躍運(yùn)動方式還能適應(yīng)不同地表，實(shí)現(xiàn)跨越溝渠和障礙，具有活動范圍廣、躲避風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，展現(xiàn)了優(yōu)異的移動能力，因此適合在非結(jié)構(gòu)化、不可預(yù)測的環(huán)境里代替人類完成偵察、探測、救險(xiǎn)和反恐等任務(wù)，有著重要的理論研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。青蛙跳躍具有爆發(fā)性強(qiáng)、距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，擁有這種能力的跳躍機(jī)器人將能輕松越過障礙，并且具有很好的環(huán)境適應(yīng)

2、性。因此本文選擇以青蛙為研究對象，進(jìn)行仿青蛙跳躍機(jī)器人的研究。
　　青蛙跳躍運(yùn)動的軌跡和姿態(tài)變化規(guī)律是研究仿生機(jī)器人生物運(yùn)動機(jī)理的基礎(chǔ)，針對其運(yùn)動信息難以獲得的問題，提出了一種空間運(yùn)動軌跡提取方法，在進(jìn)行透視效果和迭代修正后，可得到關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。針對逐點(diǎn)逐幀分析造成計(jì)算量大的問題，建立了一套采集程序，最終可輸出青蛙各點(diǎn)位置、速度和加速度曲線及其各個關(guān)節(jié)角隨時間的變化曲線。在對該方法的正確性進(jìn)行驗(yàn)證后，進(jìn)行了青蛙跳躍軌跡提取實(shí)驗(yàn)

3、，獲得了青蛙質(zhì)心和各關(guān)節(jié)運(yùn)動信息。然后基于對青蛙跳躍運(yùn)動的觀察和獲取的運(yùn)動信息，對青蛙的解剖學(xué)生物特征，跳躍運(yùn)動特征和關(guān)節(jié)軌跡進(jìn)行分析，得出了后肢關(guān)節(jié)軌跡變化的相似性、起跳階段腳掌跗跖關(guān)節(jié)的重要功能以及前后肢在跳躍過程中各自的作用。通過動力學(xué)仿真研究了其跳躍運(yùn)動過程中的力學(xué)規(guī)律，所得到的分析結(jié)果將用于仿青蛙跳躍機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制。
　　基于對青蛙生物特征和跳躍運(yùn)動機(jī)理的分析，對復(fù)雜的關(guān)節(jié)、骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，提出了一種面向跳躍運(yùn)動的

4、機(jī)構(gòu)模型，并進(jìn)行仿青蛙跳躍機(jī)器人設(shè)計(jì)。機(jī)器人前肢簡化為一個主動肩關(guān)節(jié)和一個被動肘關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)其著陸支撐緩沖和姿態(tài)調(diào)整的功能。后肢采用五桿機(jī)構(gòu)作為腿部主體，并增加腳掌和被動跗跖關(guān)節(jié)以保證跳躍和著陸時的穩(wěn)定性，髖關(guān)節(jié)具有后擺和外擺兩個自由度以調(diào)整跳躍的姿態(tài)、方向和軌跡。機(jī)器人可以調(diào)整多種起跳姿態(tài)以滿足不同的跳躍要求；其合理的質(zhì)量分布有利于提高能量轉(zhuǎn)化效率；后肢通過單電機(jī)分時控制實(shí)現(xiàn)跳躍、空中收腿和能量調(diào)節(jié)動作，具有較高的功率密度；后肢五桿

5、機(jī)構(gòu)具有與青蛙跳躍時相似的力學(xué)規(guī)律，起跳時通過與腳掌配合，可以降低提前離開地面的可能，從而降低了能量損耗。
　　運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析是機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整、跳躍軌跡規(guī)劃和實(shí)時控制的基礎(chǔ)。對機(jī)器人準(zhǔn)備和跳躍的各個階段進(jìn)行了正、逆運(yùn)動學(xué)分析，建立了運(yùn)動學(xué)方程，研究了騰空階段機(jī)器人前后肢末端的運(yùn)動空間。針對機(jī)器人前后肢結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不利于動力學(xué)分析的問題，基于虛功原理對其行了簡化，建立了前肢和后肢運(yùn)動模型，然后對機(jī)器人起跳、騰空和著陸三個階段以及離

6、地和觸地兩個瞬時進(jìn)行了動力學(xué)分析，建立了起跳階段后肢動力學(xué)方程、騰空階段機(jī)器人運(yùn)動方程、著陸階段前肢動力學(xué)方程、離地瞬時起跳判據(jù)和觸地瞬時翻轉(zhuǎn)判據(jù)，并通過仿真驗(yàn)證了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程的正確性。
　　機(jī)器人的跳躍軌跡規(guī)劃是使其運(yùn)動滿足指標(biāo)要求的重要手段，是跳躍機(jī)器人完整路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)。針對動力學(xué)方程多變量和非線性造成軌跡規(guī)劃算法復(fù)雜的問題，首先對機(jī)器人跳躍軌跡進(jìn)行分析，然后提出了基于遺傳算法的機(jī)器人跳躍軌跡多參數(shù)多目標(biāo)規(guī)劃方法，建立

7、了機(jī)器人躍過各種典型地形應(yīng)滿足的約束條件，以跳躍穩(wěn)定性、安全性、能量消耗和水平跳躍距離為目標(biāo)函數(shù)，對機(jī)器人跨越水平溝渠的跳躍進(jìn)行了軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，通過動力學(xué)計(jì)算和仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　最后，采用分級和模塊化思想，設(shè)計(jì)了機(jī)器人上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃、嵌入式控制器進(jìn)行關(guān)節(jié)控制的控制系統(tǒng)，然后對機(jī)器腿單元跳躍、機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整和機(jī)器人水平跳躍做了實(shí)驗(yàn)研究，并且將機(jī)器人跳躍與青蛙跳躍過程進(jìn)行對比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了以仿生學(xué)方法提取出的機(jī)