考虑非线性刚度的仿袋鼠跳跃机器人动力特性分析

摘要

袋鼠柔性关节和柔性脚趾的生物结构使其跳跃具有运动稳健、耗能低的优点。因而将柔性机构引入仿袋鼠弹跳机构设计，对改善跳跃机器人的运动及动力性能具有十分积极的意义。为此，本文从袋鼠生物柔性结构研究出发，建立了仿袋鼠柔性跳跃机构模型，并研究了仿生非线性柔性关节和柔性脚的模型和力学机理以及对系统跳跃运动性能的影响。 本文首先在大量查阅和分析国内外弹跳机器人研究文献资料的基础上，综述了当前弹跳机器人的基本理论和研究现状。并通过对袋鼠跳跃录像资料及有关运动参数测量结果的分析，结合国外有关袋鼠跳跃生物学研究参考文献，研究了袋鼠跳跃运动步态、能耗上的特点，系统分析了其肌腱结构的生物特征和作用机理，及对生物体降低氧气消耗的重要作用。 其次，根据袋鼠生物机理和跳跃运动的特点，提出了考虑关节非线性的仿袋鼠单腿柔性跳跃机器人动力学模型，进行了运动及动力学分析，计算给出了机器人仿袋鼠跳跃着地阶段的地面支承反力和所需各关节输入力矩的变化规律。并从袋鼠腿部的生物构造，引入了非线性刚度表达的柔性关节，通过与线性关节模型对比，探讨了踝关节非线性对其关节力矩和起跳性能的影响。结果表明：非线性的引入不仅可提高关节的储能能力，有效地降低关节输入力矩，而且还能防止跳跃机构提前起跳，改善跳跃性能，更符合生物的特征。 再则，建立了仿袋鼠跳跃的伪刚体机构模型，进行了运动及动力学分析，给出了柔性关节在着地阶段的扭转过程及其储存弹性能的特性，以及整个跳跃过程机构动能和重力势能的变化规律；讨论了系统能量分配方式及相互转化的关系；并通过对比纯刚体和伪刚体模型踝关节的输入力矩，验证了柔性关节对改善跳跃机构驱动特性的作用，讨论了弹跳机器人机构设计中无源能量的利用问题，从而解释了袋鼠高速跳跃时耗氧量低的力学机理。 最后，基于袋鼠脚部的生物特点，从缓解地面冲击、运动弹性储能和起跳姿态调整三个方面，分析了其特殊的骨肌筋腱构造在跳跃行进运动中的功能及作用方式。并针对本文所提出的全柔性脚仿袋鼠跳跃机构模型，依据录像资料所测的数据，对其在着地阶段的运动姿态、速度等进行曲线拟合分析，验证了柔性脚模型仿生功能的实现可行性。 本论文的研究工作为今后仿袋鼠跳跃机器人中柔性机构进一步研究和设计建立了理论基础，并提供了有参考价值的资料。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1柔性机构

1.1.2柔性机构在仿生领域的应用

1.1.3仿生机器人中的柔性构件

1.1.4弹跳机器人发展背景和优势

1.2弹跳机器人研究现状

1.3本文的研究意义

1.4本文的内容安排

第二章袋鼠生物结构及跳跃运动的特点

2.1引言

2.2袋鼠生物结构的特点

2.2.1袋鼠后肢的骨肌结构

2.2.2生物腱的特性

2.2.3生物的弹性组织

2.2.4弹性储能与运动耗氧

2.3袋鼠跳跃运动的特点

2.4袋鼠生物能学的特点

2.5本章小结

第三章非线性关节仿袋鼠跳跃机构动力特性分析

3.1引言

3.2柔性关节

3.3踝关节的表达

3.4仿袋鼠跳跃机器人模型

3.5运动学分析

3.6动力学分析

3.6.1系统的动能

3.6.1系统的势能

3.6.3系统的动力学方程

3.6.4环境动力学方程

3.7非线性关节作用分析

3.8算例结果及讨论

3.9非线性关节的实现

3.10本章小结

第四章仿袋鼠柔性跳跃机构的能量波动

4.1引言

4.2仿袋鼠跳跃伪刚体模型

4.3运动学分析

4.4动力学分析

4.5算例及结果讨论

4.6本章小结

第五章仿袋鼠跳跃机构中的柔性脚

5.1引言

5.2袋鼠生物脚的特点

5.3算例分析和结果讨论

5.3.1缓冲

5.3.2 储能

5.3.3身体质心波动调节

5.4本章小结

第六章结论与展望

参考文献

发表论文及科研情况

致谢