仿袋鼠機器人柔性跳躍機構的動力學分析.pdf

1、袋鼠跳躍具有速度快、運動穩(wěn)健、落腳面積小及耗能低等優(yōu)點。因而仿袋鼠彈跳機器人在未來星際探索、軍事偵查以及反恐活動等方面具有廣泛的應用前景。研究符合袋鼠生物運動特征的柔性彈跳機構模型及其動力學特性是仿袋鼠機器人研發(fā)的必要基礎和關鍵技術。 本文首先在大量查閱和分析國內外彈跳機器人研究文獻資料的基礎上，綜述了當前彈跳機器人的基本理論和研究現(xiàn)狀，采用雙質量彈簧系統(tǒng)對機器人彈跳運動過程進行了較為系統(tǒng)的分析。在此基礎上，還研究了單腿彈跳機構

2、落地時的傾翻與沖擊問題，總結出了彈跳機器人性能的評價指標。 其次，本論文在對仿生機器人運動的基本理論和袋鼠生物體跳躍運動的特性分析的基礎上，提出了仿袋鼠跳躍機器人的具有關節(jié)、腿部和腳部柔性的單腿模型，并從跳躍機器人運動過程的著地和騰空兩階段，采用Lagrange方法，建立了相應機器人模型的動力學方程，導出了各個關節(jié)的驅動力矩表達式。還利用Matlab6.5對機器人進行了仿真計算分析，給出了相應機構運動及動力特性線圖，并對結果進行

3、了討論。結果表明：具有柔性腳的跳躍機器人的起跳時間增長，約占整個著地時間的2/3；當柔性腳與地面接觸長度為最大時，地面的反作用力也達到最大；踝關節(jié)的輸入力矩要比髖關節(jié)的輸入力矩高出約6～8倍。這些結論將對仿袋鼠跳躍機器人的設計與運動控制具有重要的指導意義。 再則，提出了懸臂彈性梁結構的仿袋鼠機器人的柔性腳模型。分析了腳部在分別受集中力及彎矩作用下產生小變形及大變形的情況。利用橢圓積分方法，求出了仿袋鼠機器人腳部變形的表達式和末端

4、(踝關節(jié))變形后的位置變化關系以及地面最大作用力的公式，并進行了計算分析。 最后，通過分析有電機驅動的單質量—彈簧系統(tǒng)，對機器人動力學方程作了無量綱化處理，研究了產生導致單位距離能量損失最小的步態(tài)，導出了能量消耗的表達式，給出了最優(yōu)的彈跳軌跡。還以能量損失最小為優(yōu)化目標，推導了最優(yōu)著地角的經驗公式，并針對不同的參數(shù)，結合實例進行了計算分析。 本論文的研究工作為今后仿袋鼠跳躍機器人進一步研究和設計建立了理論基礎，并提供了有