仿青蛙机器人跳跃之力学分析与轨迹优化

摘要

目前，移动机器人在社会生产活动中已经得到了广泛的应用。在松软和不平坦的地面上，相比传统的轮式机器人，具有高爆发力的仿青蛙机器人具有更好的移动性能。在仿青蛙机器人跳跃研究过程中，动态稳定控制问题是主要的挑战。本文针对该问题，根据实际作业需求，给仿青蛙机器人设计了不同的跳跃方案。基于遗传算法，对仿青蛙机器人跳跃过程的关节轨迹进行了优化，得到了仿青蛙机器人最佳的跳高和跳远控制策略。结合力学分析，得到了影响仿青蛙机器人跳跃性能的主要因素，建立了能满足在多种障碍下工作的仿青蛙机器人跳跃力学模型。
　　本文从仿生学角度出发，选择具有优秀跳跃性能和合理运动结构的青蛙作为研究对象，建立了平面连杆机构仿青蛙机器人跳跃模型。在该模型的基础上，对仿青蛙机器人在起跳和腾空阶段的进行了运动学和动力学分析，研究了仿青蛙机器人在跳跃过程中各关节运动轨迹，质心速度，质心加速度和各关节扭矩之间的关系，建立了仿青蛙机器人在跳跃过程中各关节的动力学模型。根据仿青蛙机器人在实际作业中的障碍种类，提出了跳高和跳远两种跳跃方案。基于遗传算法，分析了不同起跳时间下仿青蛙机器人的跳跃性能，同时在最佳起跳时间下，分析了仿青蛙机器人跳高和跳远指标下的跳跃性能，得到了满足不同跳跃指标的各关节控制策略。结合Matlab仿真分析和已有的实验数据，验证了方案的正确性和可行性。
　　结合矢量法和矩阵法分析可以简化仿青蛙机器人运动学的运算。基于平面力系推导得到的动力学方程结论，适用于任意空间坐标系下的机器人动力学分析。通过轨迹优化得到的各关节运动轨迹，结合逆动力学方程，解决了六关节仿青蛙机器人跳跃中动力学的强耦合和非线性分析难点。在优化后的关节运动轨迹中，通过控制影响跳跃性能的主要因素，可以使仿青蛙机器人在实际应用中跳的更高和更远。

目录

第1章 绪 论

1. 1 课题来源

1.2 跳跃机器人的研究现状

1.3 仿青蛙机器人研究的关键问题

1.4 本文主要研究内容

第2章 仿青蛙机器人运动学分析

2.1 引言

2.2 起跳阶段的运动学分析

2.3 腾空阶段运动学分析

第3章 仿青蛙机器人动力学分析

3.1 引言

3.2动力学分析

3.3 起跳阶段动力学分析

3.4 腾空阶段动力学分析

3.5本章小结

第4章 仿青蛙机器人跳跃轨迹优划

4.1引言

4.2 建立轨迹优化的数学模型

4.3 Matlab仿真结果

4. 4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢