仿蝗蟲彈跳機器人運動機理與控制方法研究.pdf

1、彈跳運動的地面非連續(xù)接觸性、高動態(tài)性和超強越障能力使得彈跳機器人具有強人的運動能力，適用于星球探索、災(zāi)后搜救、軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境場合。自然界具有彈跳能力的動物和昆蟲是研究彈跳運動的活體標本，仿生彈跳機器人研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和實用價值。本文以蝗蟲為仿生對象，在研究其運動機理的基礎(chǔ)上，進行建模、仿真、參數(shù)優(yōu)化、機構(gòu)設(shè)計、感知和控制方法研究，實現(xiàn)具有類似蝗蟲運動功能的彈跳機器人。
　　在研究蝗蟲的身體結(jié)構(gòu)和材質(zhì)組成，爬

2、行運動、彈跳運動、主動式自復(fù)位、起跳方向和角度調(diào)節(jié)，以及爬行彈跳復(fù)合運動機理的基礎(chǔ)上，總結(jié)出蝗蟲的運動功能對彈跳機器人設(shè)計的啟發(fā):
　　(1)彈跳運動需要實現(xiàn)具體急回特性的機構(gòu)用于儲能和快速釋放;
　　(2)主動式自復(fù)位是連續(xù)彈跳運動的必要條件;
　　(3)起跳方向調(diào)節(jié)使彈跳機器人的運動具有方向性;
　　(4)起跳角度調(diào)節(jié)使彈跳機器入彈跳高度和距離具有可控性;
　　(5)復(fù)合式運動功能使彈跳機器人既有高機動

3、性也有精確運動功能。
　　在對蝗蟲的運動機理研究的基礎(chǔ)上，從功能仿生的角度設(shè)計和實現(xiàn)了兩代仿蝗蟲彈跳機器人。
　　本文的主要工作包括:
　　(1)第一代仿蝗蟲彈跳機器人著重研究彈跳運動、主動式自復(fù)位、起跳方向和起跳角度調(diào)節(jié)的實現(xiàn)方法，從而實現(xiàn)了連續(xù)彈跳運動。
　　建立了彈跳運動模型，提出了折疊式和展開式主動式自復(fù)位方法，設(shè)計了離散式和連續(xù)式起跳方向調(diào)節(jié)方法，提出了通過調(diào)節(jié)機器人重心和結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)起跳角度調(diào)節(jié)的方法

4、，從而實現(xiàn)了一種具有連續(xù)彈跳運動功能的彈跳機器人。對運動學(xué)和動力學(xué)建模和仿真基礎(chǔ)上，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對彈跳運動性能的影響，從而實現(xiàn)了機器人機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化;設(shè)計了一種具有急回特性的偏心凸輪機構(gòu)實現(xiàn)了彈性勢能的存儲和快速釋放功能;設(shè)計了一種桿腿機構(gòu)在單個電機的驅(qū)動下，同時實現(xiàn)了自復(fù)位、起跳方向和角度調(diào)節(jié)功能。
　　(2)為了解決第一代仿蝗蟲彈跳機器人不能實現(xiàn)精確運動的問題，第二代仿蝗蟲彈跳機器人研究爬行運動和彈跳運動的復(fù)合式運動功能。

5、r>　　建立了爬行運動和彈跳運動模型，進行了仿真和參數(shù)優(yōu)化研究。設(shè)計了一種圓柱凸輪機構(gòu)完成彈性勢能的存儲和快速釋放，實現(xiàn)了彈跳運動功能;設(shè)計了一種柔性關(guān)節(jié)用于爬行機構(gòu)，可有效減緩機器人足部與地面的碰撞;設(shè)計了一種單個電機驅(qū)動機構(gòu)配合兩個單向軸承實現(xiàn)彈跳運動和爬行運動的分時驅(qū)動，提高了電機利用率，減輕了機器人的總體質(zhì)量。
　　(3)提出了一種基于狀態(tài)事件的仿蝗蟲彈跳機器人自主運動控制方法。
　　將機器人的運動周期劃分為各種狀態(tài)

6、事件，通過感知系統(tǒng)提取各種狀態(tài)事件對應(yīng)的信息作為機器人自主控制的基礎(chǔ)，機器人在不同的狀態(tài)之間的運動轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)自主運動控制。該方法依靠三軸加速度傳感器等簡單的傳感器系統(tǒng)對機器人姿態(tài)信息進行檢測，即可以實現(xiàn)機器人的自豐運動控制。
　　(4)提出了群體決策和領(lǐng)導(dǎo)繼承的多彈跳機器人協(xié)作控制方法。
　　針對多個微型彈跳機器人的實際應(yīng)用場景，提出了群體決策方法進行多彈跳機器人協(xié)作控制，實現(xiàn)了多個微小型彈跳機器人面對復(fù)雜環(huán)境時的共同決

7、策控制，提高了多彈跳機器人系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性;提出領(lǐng)導(dǎo)繼承的方法解決了多彈跳機器人混合式控制結(jié)構(gòu)中領(lǐng)導(dǎo)者出現(xiàn)故障的問題，保證多彈跳機器人系統(tǒng)的正常運行。
　　(5)最后對兩代彈跳機器人進行了實驗研究，結(jié)果如下。
　　第一代彈跳機器人在起跳角度為80.8°時獲得最大彈跳高度為100cm，水平運動距離為65cm，可以完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換自主控制，實現(xiàn)任意姿態(tài)的主動式自復(fù)位，起跳方向和起跳角度調(diào)節(jié)功能，攀爬樓梯運動實驗驗證了該機器人