新型氣動仿青蛙機器人設(shè)計及彈跳性能研究論文

2024年4月1日發(fā)(作者：家長心聲大全簡短)

Classified Index: TP242

U.D.C: 681.5

Disrtation for the Master Degree in Engineering

RESEARCH ON DESIGN AND JUMPING

PERFORMANCE OF A NEW PNEUMATIC

FROG-INSPIRED ROBOT

Candidate：

Supervisor：

Academic Degree Applied for：

Speciality：

Affiliation：

Date of Defence：

Degree-Conferring-Institution：

Zhang Wei

Prof. Cai Hegao

Master of Engineering

Mechatronics Engineering

School of Mechatronics Engineering

July, 2012

Harbin Institute of Technology

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文

摘 要

仿生青蛙跳躍機器人由于其越障能力強，能適應(yīng)不同的地表，具有很強的

環(huán)境適應(yīng)能力，已經(jīng)成為目前國內(nèi)外研究的熱點。本文在對生物青蛙肌骨骼系

統(tǒng)進行研究的基礎(chǔ)上，采用氣動肌肉作為驅(qū)動元件，設(shè)計并研制了一種新型仿

青蛙彈跳腿機構(gòu)。對機器人進行建模，并對運動學、動力學和起跳軌跡規(guī)劃進

行了分析，通過計算機仿真和實物樣機跳躍實驗驗證了跳躍機構(gòu)設(shè)計的合理性。

首先通過對國內(nèi)外現(xiàn)有資料進行分析，總結(jié)出青蛙在跳躍過程中各關(guān)節(jié)運

動軌跡規(guī)律；通過對青蛙跳躍的運動特征以及跳躍過程中腿部肌肉的伸縮情況

進行分析，得出影響肌肉作用效果的因素；為了能夠有效模仿生物肌肉的特性，

采用Mckibben型氣動肌肉作為驅(qū)動，研制出一種以氣動肌肉為驅(qū)動的仿青蛙

彈跳機構(gòu)，并建立仿青蛙跳躍機器人的電氣機械系統(tǒng)模型。

將機器人的運動學分析分為地面階段和騰空階段，運用D-H方法分別對其

進行運動學建模，對這兩個階段的正運動學和逆運動學問題分別進行求解。膝

關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的雙關(guān)節(jié)機構(gòu)采用曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)，對氣動肌肉的收縮量問題

進行分析，建立機器人運動與肌肉收縮量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

運用拉格朗日法建立了機器人跳躍過程的動力學方程。通過求解動力學逆

問題，可以確定機器人在已知運動規(guī)律下的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩大小。同時為了進行彈跳

性能的分析，利用基于遺傳算法的軌跡規(guī)劃方法，以最小關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標，

在關(guān)節(jié)空間對機器人運動進行分析。

在ADAMS虛擬環(huán)境中，利用彈簧阻尼單元模擬氣動肌肉輸出，對仿青蛙

機器人的運動進行仿真。最后利用所研制的仿青蛙彈跳腿樣機，進行了垂直跳

躍實驗與跳箱子實驗，仿真和實驗效果驗證了氣動肌肉驅(qū)動的仿青蛙彈跳機器

人設(shè)計的可行性。

關(guān)鍵詞：跳躍機器人；仿青蛙；氣動肌肉；運動學；動力學；軌跡規(guī)劃

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