仿袋鼠機(jī)器人柔性跳躍機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析.pdf

1、袋鼠跳躍具有速度快、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)健、落腳面積小及耗能低等優(yōu)點(diǎn)。因而仿袋鼠彈跳機(jī)器人在未來星際探索、軍事偵查以及反恐活動(dòng)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。研究符合袋鼠生物運(yùn)動(dòng)特征的柔性彈跳機(jī)構(gòu)模型及其動(dòng)力學(xué)特性是仿袋鼠機(jī)器人研發(fā)的必要基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。 本文首先在大量查閱和分析國內(nèi)外彈跳機(jī)器人研究文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，綜述了當(dāng)前彈跳機(jī)器人的基本理論和研究現(xiàn)狀，采用雙質(zhì)量彈簧系統(tǒng)對機(jī)器人彈跳運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析。在此基礎(chǔ)上，還研究了單腿彈跳機(jī)構(gòu)

2、落地時(shí)的傾翻與沖擊問題，總結(jié)出了彈跳機(jī)器人性能的評價(jià)指標(biāo)。 其次，本論文在對仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基本理論和袋鼠生物體跳躍運(yùn)動(dòng)的特性分析的基礎(chǔ)上，提出了仿袋鼠跳躍機(jī)器人的具有關(guān)節(jié)、腿部和腳部柔性的單腿模型，并從跳躍機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程的著地和騰空兩階段，采用Lagrange方法，建立了相應(yīng)機(jī)器人模型的動(dòng)力學(xué)方程，導(dǎo)出了各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩表達(dá)式。還利用Matlab6.5對機(jī)器人進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，給出了相應(yīng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特性線圖，并對結(jié)果進(jìn)行

3、了討論。結(jié)果表明：具有柔性腳的跳躍機(jī)器人的起跳時(shí)間增長，約占整個(gè)著地時(shí)間的2/3；當(dāng)柔性腳與地面接觸長度為最大時(shí)，地面的反作用力也達(dá)到最大；踝關(guān)節(jié)的輸入力矩要比髖關(guān)節(jié)的輸入力矩高出約6～8倍。這些結(jié)論將對仿袋鼠跳躍機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制具有重要的指導(dǎo)意義。 再則，提出了懸臂彈性梁結(jié)構(gòu)的仿袋鼠機(jī)器人的柔性腳模型。分析了腳部在分別受集中力及彎矩作用下產(chǎn)生小變形及大變形的情況。利用橢圓積分方法，求出了仿袋鼠機(jī)器人腳部變形的表達(dá)式和末端

4、(踝關(guān)節(jié))變形后的位置變化關(guān)系以及地面最大作用力的公式，并進(jìn)行了計(jì)算分析。 最后，通過分析有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)，對機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程作了無量綱化處理，研究了產(chǎn)生導(dǎo)致單位距離能量損失最小的步態(tài)，導(dǎo)出了能量消耗的表達(dá)式，給出了最優(yōu)的彈跳軌跡。還以能量損失最小為優(yōu)化目標(biāo)，推導(dǎo)了最優(yōu)著地角的經(jīng)驗(yàn)公式，并針對不同的參數(shù)，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算分析。 本論文的研究工作為今后仿袋鼠跳躍機(jī)器人進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)建立了理論基礎(chǔ)，并提供了有