仿蝗虫跳跃机器人运动学、动力学研究及仿生关节设计

摘要

仿生跳跃机器人的研究能够从生物体灵巧的运动机构和机敏的运动模式上获取灵感，使跳跃机器人的性能得到提升。本文选择间歇性跳跃生物的代表——蝗虫作为仿生对象，在建立仿蝗虫跳跃机器人机构模型的基础上，提出了仿蝗虫跳跃机器人运动学、动力学理论研究的方法，通过系统的分析揭示了仿蝗虫跳跃机器人的运动特性和跳跃机理，为建立仿蝗虫跳跃机器人的实物模型提供了理论基础。首先，根据仿生学研究的基本方法，在前人对蝗虫生物原型研究的基础上，提出了符合蝗虫跳跃运动特征的仿蝗虫机器人的机构模型。运用机器人运动学分析的D-H法对机构模型进行了正运动学、逆运动学分析。通过引用生物学原始数据，得到了机器人起跳过程中躯体位姿的变化规律和最终的起跳速度，结果同生物实验得到的蝗虫起跳时的运动规律基本吻合。采用正交试验设计的方法分析了机器人各杆件长度变化对躯体质心速度的影响程度，其结论可作为机器人设计时杆件参数选择的依据。基于运动学分析的结果，从速度可操作性的角度分析了机构位形沿不同方向的速度传递性能。其次，建立了仿蝗虫机器人起跳过程的多刚体动力学模型，使用扭簧模拟蝗虫后足膝关节处的弹性储能装置，采用拉格朗日法建立了系统的动力学方程，得到了各关节驱动力矩的变化规律，并与未引入弹性储能装置情况下的计算结果相对比。结果表明：在机器人膝关节处引入弹性储能装置能有效降低膝关节及踝关节处驱动力矩，使机器人的动力性能得到改善。依据动量矩定理说明了仿蝗虫机器人起跳后会翻转，通过对躯体质心轨迹的优化，使机器人起跳时获得的初始动量矩最小，从而有利于空中的姿态调整。对机器人在空中的运动进行了建模和分析，得到了各杆件角速度的约束方程。最后，对于仿蝗虫机器人的关键部位——膝关节，提出了采用弹簧作为储能元件、凸轮作为蓄力和释放装置的仿生关节的设计方案，并对凸轮进行了优化设计。仿真结果表明，该仿生关节可以实现预定的动作。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 仿生跳跃机器人研究的意义

1.2 仿生跳跃运动分类

1.2.1 连续跳跃运动

1.2.2 间歇性跳跃运动

1.3 仿生跳跃机器人研究现状

1.3.1 一般仿生跳跃机器人研究现状

1.3.2 仿蝗虫跳跃机器人研究现状

1.4 本文研究的主要内容

1.4.1 研究方法及目标

1.4.2 内容安排

1.5 本章小结

第二章 蝗虫的生物原型分析及仿生模型的建立

2.1 蝗虫的生物原型

2.1.1 蝗虫的身体结构

2.1.2 蝗虫后足的构造

2.1.3 蝗虫起跳过程

2.2 仿蝗虫机器人机构模型的建立

2.2.1 机构模型及坐标系的建立

2.2.2 基本运动参数

2.3 本章小结

第三章 仿蝗虫机器人起跳过程运动学研究

3.1 起跳过程正运动学分析

3.1.1 躯体位姿方程的推导

3.1.2 躯体位姿变化分析

3.2 起跳过程逆运动学分析

3.3 起跳过程的速度分析

3.3.1 躯体质心速度方程

3.3.2 起跳速度计算及分析

3.4 起跳过程速度可操作性分析

3.4.1 速度的方向可操作性测度

3.4.2 速度可操作性分析

3.5 本章小结

第四章 仿蝗虫机器人起跳过程动力学及空中运动研究

4.1 起跳过程加速度分析

4.1.1 跳跃的力学解释

4.1.2 躯体质心的加速度方程

4.2 起跳过程动力学分析

4.2.1 机器人动力学分析方法

4.2.2 拉格朗日方程的推导

4.2.3 计算结果及分析

4.3 起跳过程动量矩分析及优化

4.3.1 动量矩分析

4.3.2 质心轨迹优化

4.4 空中运动研究

4.5 本章小结

第五章 仿蝗虫机器人腿部膝关节设计

5.1 关节设计的仿生学解释

5.1.1 蝗虫后腿膝关节的特殊结构

5.1.2 仿生膝关节的组成部分

5.2 储能元件选择

5.3 蓄力及释放装置设计

5.3.1 基于凸轮的设计方案

5.3.2 从动件运动规律

5.3.3 凸轮廓线的优化设计

5.3.4 仿生膝关节运动仿真

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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