仿蝗蟲(chóng)彈跳機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理與控制方法研究.pdf

1、彈跳運(yùn)動(dòng)的地面非連續(xù)接觸性、高動(dòng)態(tài)性和超強(qiáng)越障能力使得彈跳機(jī)器人具有強(qiáng)人的運(yùn)動(dòng)能力，適用于星球探索、災(zāi)后搜救、軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境場(chǎng)合。自然界具有彈跳能力的動(dòng)物和昆蟲(chóng)是研究彈跳運(yùn)動(dòng)的活體標(biāo)本，仿生彈跳機(jī)器人研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。本文以蝗蟲(chóng)為仿生對(duì)象，在研究其運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行建模、仿真、參數(shù)優(yōu)化、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、感知和控制方法研究，實(shí)現(xiàn)具有類(lèi)似蝗蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)功能的彈跳機(jī)器人。
　　在研究蝗蟲(chóng)的身體結(jié)構(gòu)和材質(zhì)組成，爬

2、行運(yùn)動(dòng)、彈跳運(yùn)動(dòng)、主動(dòng)式自復(fù)位、起跳方向和角度調(diào)節(jié)，以及爬行彈跳復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，總結(jié)出蝗蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)功能對(duì)彈跳機(jī)器人設(shè)計(jì)的啟發(fā):
　　(1)彈跳運(yùn)動(dòng)需要實(shí)現(xiàn)具體急回特性的機(jī)構(gòu)用于儲(chǔ)能和快速釋放;
　　(2)主動(dòng)式自復(fù)位是連續(xù)彈跳運(yùn)動(dòng)的必要條件;
　　(3)起跳方向調(diào)節(jié)使彈跳機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)具有方向性;
　　(4)起跳角度調(diào)節(jié)使彈跳機(jī)器入彈跳高度和距離具有可控性;
　　(5)復(fù)合式運(yùn)動(dòng)功能使彈跳機(jī)器人既有高機(jī)動(dòng)

3、性也有精確運(yùn)動(dòng)功能。
　　在對(duì)蝗蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，從功能仿生的角度設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了兩代仿蝗蟲(chóng)彈跳機(jī)器人。
　　本文的主要工作包括:
　　(1)第一代仿蝗蟲(chóng)彈跳機(jī)器人著重研究彈跳運(yùn)動(dòng)、主動(dòng)式自復(fù)位、起跳方向和起跳角度調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)彈跳運(yùn)動(dòng)。
　　建立了彈跳運(yùn)動(dòng)模型，提出了折疊式和展開(kāi)式主動(dòng)式自復(fù)位方法，設(shè)計(jì)了離散式和連續(xù)式起跳方向調(diào)節(jié)方法，提出了通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)器人重心和結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)起跳角度調(diào)節(jié)的方法

4、，從而實(shí)現(xiàn)了一種具有連續(xù)彈跳運(yùn)動(dòng)功能的彈跳機(jī)器人。對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模和仿真基礎(chǔ)上，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)彈跳運(yùn)動(dòng)性能的影響，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化;設(shè)計(jì)了一種具有急回特性的偏心凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了彈性勢(shì)能的存儲(chǔ)和快速釋放功能;設(shè)計(jì)了一種桿腿機(jī)構(gòu)在單個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自復(fù)位、起跳方向和角度調(diào)節(jié)功能。
　　(2)為了解決第一代仿蝗蟲(chóng)彈跳機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，第二代仿蝗蟲(chóng)彈跳機(jī)器人研究爬行運(yùn)動(dòng)和彈跳運(yùn)動(dòng)的復(fù)合式運(yùn)動(dòng)功能。

5、r>　　建立了爬行運(yùn)動(dòng)和彈跳運(yùn)動(dòng)模型，進(jìn)行了仿真和參數(shù)優(yōu)化研究。設(shè)計(jì)了一種圓柱凸輪機(jī)構(gòu)完成彈性勢(shì)能的存儲(chǔ)和快速釋放，實(shí)現(xiàn)了彈跳運(yùn)動(dòng)功能;設(shè)計(jì)了一種柔性關(guān)節(jié)用于爬行機(jī)構(gòu)，可有效減緩機(jī)器人足部與地面的碰撞;設(shè)計(jì)了一種單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合兩個(gè)單向軸承實(shí)現(xiàn)彈跳運(yùn)動(dòng)和爬行運(yùn)動(dòng)的分時(shí)驅(qū)動(dòng)，提高了電機(jī)利用率，減輕了機(jī)器人的總體質(zhì)量。
　　(3)提出了一種基于狀態(tài)事件的仿蝗蟲(chóng)彈跳機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)控制方法。
　　將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)周期劃分為各種狀態(tài)

6、事件，通過(guò)感知系統(tǒng)提取各種狀態(tài)事件對(duì)應(yīng)的信息作為機(jī)器人自主控制的基礎(chǔ)，機(jī)器人在不同的狀態(tài)之間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)控制。該方法依靠三軸加速度傳感器等簡(jiǎn)單的傳感器系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人姿態(tài)信息進(jìn)行檢測(cè)，即可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自豐運(yùn)動(dòng)控制。
　　(4)提出了群體決策和領(lǐng)導(dǎo)繼承的多彈跳機(jī)器人協(xié)作控制方法。
　　針對(duì)多個(gè)微型彈跳機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，提出了群體決策方法進(jìn)行多彈跳機(jī)器人協(xié)作控制，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)微小型彈跳機(jī)器人面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)的共同決

7、策控制，提高了多彈跳機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性;提出領(lǐng)導(dǎo)繼承的方法解決了多彈跳機(jī)器人混合式控制結(jié)構(gòu)中領(lǐng)導(dǎo)者出現(xiàn)故障的問(wèn)題，保證多彈跳機(jī)器人系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
　　(5)最后對(duì)兩代彈跳機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如下。
　　第一代彈跳機(jī)器人在起跳角度為80.8°時(shí)獲得最大彈跳高度為100cm，水平運(yùn)動(dòng)距離為65cm，可以完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換自主控制，實(shí)現(xiàn)任意姿態(tài)的主動(dòng)式自復(fù)位，起跳方向和起跳角度調(diào)節(jié)功能，攀爬樓梯運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)器人