仿蝗蟲跳躍機器人運動學、動力學研究及仿生關(guān)節(jié)設(shè)計.pdf

1、仿生跳躍機器人的研究能夠從生物體靈巧的運動機構(gòu)和機敏的運動模式上獲取靈感，使跳躍機器人的性能得到提升。本文選擇間歇性跳躍生物的代表——蝗蟲作為仿生對象，在建立仿蝗蟲跳躍機器人機構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，提出了仿蝗蟲跳躍機器人運動學、動力學理論研究的方法，通過系統(tǒng)的分析揭示了仿蝗蟲跳躍機器人的運動特性和跳躍機理，為建立仿蝗蟲跳躍機器人的實物模型提供了理論基礎(chǔ)。首先，根據(jù)仿生學研究的基本方法，在前人對蝗蟲生物原型研究的基礎(chǔ)上，提出了符合蝗蟲跳躍運動特

2、征的仿蝗蟲機器人的機構(gòu)模型。運用機器人運動學分析的D-H法對機構(gòu)模型進行了正運動學、逆運動學分析。通過引用生物學原始數(shù)據(jù)，得到了機器人起跳過程中軀體位姿的變化規(guī)律和最終的起跳速度，結(jié)果同生物實驗得到的蝗蟲起跳時的運動規(guī)律基本吻合。采用正交試驗設(shè)計的方法分析了機器人各桿件長度變化對軀體質(zhì)心速度的影響程度，其結(jié)論可作為機器人設(shè)計時桿件參數(shù)選擇的依據(jù)?；谶\動學分析的結(jié)果，從速度可操作性的角度分析了機構(gòu)位形沿不同方向的速度傳遞性能。其次，建立

3、了仿蝗蟲機器人起跳過程的多剛體動力學模型，使用扭簧模擬蝗蟲后足膝關(guān)節(jié)處的彈性儲能裝置，采用拉格朗日法建立了系統(tǒng)的動力學方程，得到了各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的變化規(guī)律，并與未引入彈性儲能裝置情況下的計算結(jié)果相對比。結(jié)果表明：在機器人膝關(guān)節(jié)處引入彈性儲能裝置能有效降低膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)處驅(qū)動力矩，使機器人的動力性能得到改善。依據(jù)動量矩定理說明了仿蝗蟲機器人起跳后會翻轉(zhuǎn)，通過對軀體質(zhì)心軌跡的優(yōu)化，使機器人起跳時獲得的初始動量矩最小，從而有利于空中的姿態(tài)調(diào)整