足球人墙弹跳机构的研究与设计

摘要

在足球任意球的教学训练中，已经广泛使用了人墙辅助装置。目前的足球人墙训练装置，可以通过外界控制实现自动上下跳跃，但是，跳跃机构不完全符合人体跳跃机理，不能准确模拟出在比赛条件下运动员组成人墙的动态防守状态。本课题是在原设计的电动模拟动态足球人墙训练样机的基础上，根据对跳跃机器人和人体起跳机理的分析，设计出具有仿人跳跃特性的足球人墙机械装置。本文主要开展了以下的研究工作： （1）在西安体育学院的协助下，对人体跳跃运动进行了实验研究。利用高速摄像机记录人体跳跃运动并进行后处理，在SBCAA&CAI SYSTEM软件中对其进行运动解析，得到了跳跃过程中步态参数和运动参数的实测数据，为人墙弹跳结构的设计以及运动学、动力学计算分析提供数据支撑。 （2）根据原足球人墙样机结构和仿生机器人原理，对足球人墙机构进行系统的设计与装配，使其一方面具有仿人跳跃的性能，另一方面具有反射足球的人墙性能。并利用ANSYS Workbench对主要活动部件进行了拓扑优化和重新设计，得到更加轻质的最优人墙模型。 （3）采用运动学正问题计算方法、位姿变换理论计算方法对样机的物理模型进行运动学计算，获得了各活动部件的运动学矩阵方程与运动轨迹曲线。并在 ADAMS 仿真软件中进行运动仿真，得到了各活动部件的运动参数曲线。 （4）利用可变四次多项式插值方法和边界值条件对样机总质心在起跳相、腾空相与落地相三个阶段进行轨迹规划，得到了不同时段的不同运动轨迹。 （5）分别利用拉格朗日方程法和弹簧阻尼原理建立物理模型的动力学方程和脚底外力方程，整合获得整个机构的动力学数学模型。在MATLAB中利用SimMechanics仿真模块建立样机的验证模型，对其进行动力仿真分析，得到模型输入力矩、起跳反作用力等动力曲线。

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