仿蛙機(jī)器人設(shè)計及間歇跳躍軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、仿生跳躍機(jī)器人具有優(yōu)秀的跨越障礙能力，能夠在非結(jié)構(gòu)化的未知環(huán)境中替代人類完成諸如星面探測、軍事偵察和搶險救災(zāi)等工作，具有廣闊的應(yīng)用前景。仿生跳躍機(jī)器人具有跳躍爆發(fā)力強(qiáng)、運(yùn)動靈活等優(yōu)點(diǎn)，但較高驅(qū)動功率要求和多變量、變約束和欠驅(qū)動的跳躍運(yùn)動過程，使得仿生跳躍機(jī)器人設(shè)計及任務(wù)空間的軌跡規(guī)劃具有一定局限性和挑戰(zhàn)性。本文以帶有彈性儲能元件的仿蛙機(jī)器人為研究對象，對運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和越障軌跡等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，并通過了仿真實(shí)驗(yàn)和仿蛙機(jī)器人實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)

2、證。
　　在對青蛙的生理結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，抽象出簡化的仿蛙機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型和起跳過程中后肢關(guān)節(jié)運(yùn)動規(guī)律，并利用 SLIP模型分析了跳躍運(yùn)動的質(zhì)心軌跡運(yùn)動規(guī)律。根據(jù)跳躍運(yùn)動的高驅(qū)動功率要求和青蛙跳躍運(yùn)動規(guī)律，完成了帶有彈性儲能元件的間歇跳躍仿蛙機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
　　仿蛙機(jī)器人跳躍過程中各階段與地面間的約束狀態(tài)不同，因此將仿蛙機(jī)器人跳躍動作分為四個階段：準(zhǔn)備階段、起跳階段、騰空階段和落地階段。根據(jù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)D-H方法分別建立了

3、運(yùn)動學(xué)方程，并利用運(yùn)動學(xué)方程進(jìn)行了準(zhǔn)備階段仿蛙機(jī)器人身體姿態(tài)分析，起跳階段質(zhì)心位置、速度和加速度分析以及騰空階段的前后肢足尖位置和速度分析。
　　仿蛙機(jī)器人起跳階段足尖與地面間存在欠驅(qū)動約束，為了得到被動關(guān)節(jié)的起跳運(yùn)動軌跡和起跳階段質(zhì)心運(yùn)動規(guī)律，分析了起跳階段的動能、重力勢能和彈性勢能，采用Lagrange方法建立了動力學(xué)方程，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了動力學(xué)方程的正確性。然后利用動力學(xué)方程分析了不同起跳位姿和機(jī)構(gòu)參數(shù)下的起跳方向、速度

4、和角速度。
　　為研究仿蛙機(jī)器人跨越障礙的能力和規(guī)劃仿蛙機(jī)器人跳躍軌跡，建立了前后肢足尖軌跡方程，并根據(jù)跨越障礙物的軌跡要求、仿蛙機(jī)器人位姿調(diào)整能力、驅(qū)動能力、落地穩(wěn)定性和地面摩擦力等因素建立了仿蛙機(jī)器人越障軌跡規(guī)劃的約束條件；根據(jù)仿蛙機(jī)器人跳躍的距離要求、能量消耗要求和安全性利用線性加權(quán)組合法建立了統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)，利用改進(jìn)的粒子群算法對多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，得出了滿足不同跳躍目標(biāo)要求的足尖跳躍軌跡。
　　最后制作了仿蛙機(jī)