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《西北工业大学》 2006年
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仿袋鼠机器人柔性跳跃机构的动力学分析

李向阳  
【摘要】:袋鼠跳跃具有速度快、运动稳健、落脚面积小及耗能低等优点。因而仿袋鼠弹跳机器人在未来星际探索、军事侦查以及反恐活动等方面具有广泛的应用前景。研究符合袋鼠生物运动特征的柔性弹跳机构模型及其动力学特性是仿袋鼠机器人研发的必要基础和关键技术。 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,采用双质量弹簧系统对机器人弹跳运动过程进行了较为系统的分析。在此基础上,还研究了单腿弹跳机构落地时的倾翻与冲击问题,总结出了弹跳机器人性能的评价指标。 其次,本论文在对仿生机器人运动的基本理论和袋鼠生物体跳跃运动的特性分析的基础上,提出了仿袋鼠跳跃机器人的具有关节、腿部和脚部柔性的单腿模型,并从跳跃机器人运动过程的着地和腾空两阶段,采用Lagrange方法,建立了相应机器人模型的动力学方程,导出了各个关节的驱动力矩表达式。还利用Matlab6.5对机器人进行了仿真计算分析,给出了相应机构运动及动力特性线图,并对结果进行了讨论。结果表明:具有柔性脚的跳跃机器人的起跳时间增长,约占整个着地时间的2/3;当柔性脚与地面接触长度为最大时,地面的反作用力也达到最大;踝关节的输入力矩要比髋关节的输入力矩高出约6~8倍。这些结论将对仿袋鼠跳跃机器人的设计与运动控制具有重要的指导意义。 再则,提出了悬臂弹性梁结构的仿袋鼠机器人的柔性脚模型。分析了脚部在分别受集中力及弯矩作用下产生小变形及大变形的情况。利用椭圆积分方法,求出了仿袋鼠机器人脚部变形的表达式和末端(踝关节)变形后的位置变化关系以及地面最大作用力的公式,并进行了计算分析。 最后,通过分析有电机驱动的单质量—弹簧系统,对机器人动力学方程作了无量纲化处理,研究了产生导致单位距离能量损失最小的步态,导出了能量消耗的表达式,给出了最优的弹跳轨迹。还以能量损失最小为优化目标,推导了最优着地角的经验公式,并针对不同的参数,结合实例进行了计算分析。 本论文的研究工作为今后仿袋鼠跳跃机器人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。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TP242

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【引证文献】
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