上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（论文资料）陆地仿生_2007-仿生机器蛙跳跃机理分析及运动仿真.pdf_大学文库

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要跳跃式机器人具有运动灵活性高、越障能力强等特点，能够适应非结构化、未知的工作环境，它在考古探测、星际探险、军事侦察、反恐活动中都有广泛的应用前景，因此开展跳跃机器人的研究具有重要的实际应用价值。经过千百万年的进化，生物体身体结构和运动方式体现出相当的合理性、科学性、进步性。为了将生物的这些优势运用在机器人的设计中，本文选择了从仿生角度来设计跳跃机器人。首先，针对运动机理分析所需的青蛙跳跃运动轨迹，提出了一种采用一台高速摄像机获取生物运动轨迹三维信息的提取方法，并对这种方法进行了实验验证和误差分析，以确保方法的正确性。根据这种实验方法对图像分析的需要，编制了青蛙运动轨迹的提取程序，进行了数据处理与分析。基于这种方法，进行了青蛙跳跃运动轨迹的提取实验，获得所需信息，以便做运动机理分析。其次，从解剖学和行为方式两方面研究青蛙的跳跃运动机理，通过分析青蛙骨骼结构、质量分布及其跳跃运动特征，抽象出仿青蛙跳跃机器人机构模型并建模。之后基于对模型的运动学分析和计算，验证了模型在模仿青蛙跳跃轨迹方面的正确性，并利用此模型对青蛙的跳跃过程进行了仿真，揭示了青蛙跳跃时的力学规律。最后，基于青蛙的特点及跳跃机理，使用平行四边形跳跃机构替代了青蛙多关节串联跳跃机构，对其构成的非线性弹簧质量块模型进行了分析，并进行了仿生机器蛙的设计及仿真。本文提出的空间运动轨迹采集方法，青蛙跳跃运动机理分析结果以及对模型的运动学分析和计算，为仿生机器蛙的设计及运动控制提供了理论基础，也为其他仿生机器人的研究提供了可参考的方法。关键词青蛙；跳跃机器人；仿生：跳跃机理；运动学 I

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 I 摘要跳跃式机器人具有运动灵活性高、越障能力强等特点，能够适应非结构化、未知的工作环境，它在考古探测、星际探险、军事侦察、反恐活动中都有广泛的应用前景，因此开展跳跃机器人的研究具有重要的实际应用价值。经过千百万年的进化，生物体身体结构和运动方式体现出相当的合理性、科学性、进步性。为了将生物的这些优势运用在机器人的设计中，本文选择了从仿生角度来设计跳跃机器人。首先，针对运动机理分析所需的青蛙跳跃运动轨迹，提出了一种采用一台高速摄像机获取生物运动轨迹三维信息的提取方法，并对这种方法进行了实验验证和误差分析，以确保方法的正确性。根据这种实验方法对图像分析的需要，编制了青蛙运动轨迹的提取程序，进行了数据处理与分析。基于这种方法，进行了青蛙跳跃运动轨迹的提取实验，获得所需信息，以便做运动机理分析。其次，从解剖学和行为方式两方面研究青蛙的跳跃运动机理，通过分析青蛙骨骼结构、质量分布及其跳跃运动特征，抽象出仿青蛙跳跃机器人机构模型并建模。之后基于对模型的运动学分析和计算，验证了模型在模仿青蛙跳跃轨迹方面的正确性，并利用此模型对青蛙的跳跃过程进行了仿真，揭示了青蛙跳跃时的力学规律。最后，基于青蛙的特点及跳跃机理，使用平行四边形跳跃机构替代了青蛙多关节串联跳跃机构，对其构成的非线性弹簧质量块模型进行了分析，并进行了仿生机器蛙的设计及仿真。本文提出的空间运动轨迹采集方法，青蛙跳跃运动机理分析结果以及对模型的运动学分析和计算，为仿生机器蛙的设计及运动控制提供了理论基础，也为其他仿生机器人的研究提供了可参考的方法。关键词青蛙；跳跃机器人；仿生；跳跃机理；运动学

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Hopping robot,which has excellent flexibility of movement and strong ability of getting over barriers,is suitable for working in the complicated and unpredictable environment,and has very good application prospects in archaeological exploration,interstellar exploration,military reconnaissance, anti-terrorism activity.Therefore,it is of great practical value to carry on the research on the hopping robot. With the evolution of a great amount of years,the body structure and movement from of life have indicated their rationalities,scientificalness and advancement.To use these advantages of life in the process of robot design,the bionic method is needed in the process of hopping robot design. First of all,to answer the question how to obtain the 3D information of the frog's jumping process,the method to gain the 3D trajectory with a high-speed camera has been designed,which has been proved by experiments.The error of this method has also been analyzed.Then,a program,used in the data processing and analyse,is designed and written to meet the need of working out the useful information of the frog's movement from the image shot by the camera.Whit the help of this method and the program,the information of frog's jumping process is gained by an experiment. Secondly,in order to study the principle of frog's jumping movement,the mechanism model of bionic frog hopping robot is built after the analyze of frog skeleton,mass distributing and the steps of frog's jumping.Then,following the analyse and calculation of the kinematics of this model,which supplies the proof that the model is suitable to simulate the frog jumping movement,the simulation of jumping process of this mechanism model is carried out in ADAMS,which gives out the mechanics law of frog jumping. Finally,based on the characteristic of frog and the principle of frog's jumping movement,parallelogram hopping mechanism is used instead of the frog hopping mechanism with many series-wound joints.The model of parallelogram hopping mechanism non-linear spring and mass block is analyzed,followed by the design and simulation of the bionic frog hopping robot

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 II Abstract Hopping robot, which has excellent flexibility of movement and strong ability of getting over barriers, is suitable for working in the complicated and unpredictable environment, and has very good application prospects in archaeological exploration, interstellar exploration, military reconnaissance, anti-terrorism activity. Therefore, it is of great practical value to carry on the research on the hopping robot. With the evolution of a great amount of years, the body structure and movement from of life have indicated their rationalities, scientificalness and advancement. To use these advantages of life in the process of robot design, the bionic method is needed in the process of hopping robot design. First of all, to answer the question how to obtain the 3D information of the frog's jumping process, the method to gain the 3D trajectory with a high-speed camera has been designed, which has been proved by experiments. The error of this method has also been analyzed. Then, a program, used in the data processing and analyse, is designed and written to meet the need of working out the useful information of the frog's movement from the image shot by the camera. Whit the help of this method and the program, the information of frog's jumping process is gained by an experiment. Secondly, in order to study the principle of frog's jumping movement, the mechanism model of bionic frog hopping robot is built after the analyze of frog skeleton, mass distributing and the steps of frog's jumping. Then, following the analyse and calculation of the kinematics of this model, which supplies the proof that the model is suitable to simulate the frog jumping movement, the simulation of jumping process of this mechanism model is carried out in ADAMS, which gives out the mechanics law of frog jumping. Finally, based on the characteristic of frog and the principle of frog's jumping movement, parallelogram hopping mechanism is used instead of the frog hopping mechanism with many series-wound joints. The model of parallelogram hopping mechanism non-linear spring and mass block is analyzed, followed by the design and simulation of the bionic frog hopping robot

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IV 目录摘要....................................................................................................................... I Abstract...............................................................................................................II 第 1 章绪论........................................................................................................ 1 1.1 课题背景及研究的目的和意义................................................................ 1 1.2 仿生机器人的研究概述 ........................................................................... 2 1.3 弹跳机器人的研究综述 ........................................................................... 3 1.3.1 弹跳机器人的研究现状..................................................................... 3 1.3.2 弹跳机器人的类型 ............................................................................ 8 1.4 本课题的主要研究内容 ........................................................................... 9 第 2 章青蛙空间运动轨迹提取及分析........................................................... 10 2.1 引言......................................................................................................... 10 2.2 青蛙运动轨迹提取方法 ......................................................................... 10 2.2.1 轨迹提取系统的建立 ...................................................................... 10 2.2.2 青蛙关节点的提取 .......................................................................... 12 2.2.3 关节点提取正确性验证 .................................................................. 15 2.2.4 跳跃轨迹提取算法及误差分析....................................................... 17 2.3 青蛙运动轨迹提取程序 ......................................................................... 19 2.3.1 程序的主要功能 .............................................................................. 19 2.3.2 程序的组成及各部分功能............................................................... 19 2.4 青蛙运动轨迹提取实验 ......................................................................... 21 2.4.1 实验概述.......................................................................................... 21 2.4.2 实验结果.......................................................................................... 21 2.4.3 实验结果分析 .................................................................................. 23 2.5 本章小结................................................................................................. 24 第 3 章青蛙跳跃机理分析及仿生机构运动模型研究 ................................... 25 3.1 引言......................................................................................................... 25 3.2 青蛙跳跃运动的生物特征及机理分析.................................................. 25 3.2.1 青蛙的解剖学分析 .......................................................................... 25 3.2.2 青蛙跳跃运动特征分析 .................................................................. 26

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 V 3.3 仿青蛙跳跃机构模型的建立.................................................................. 27 3.4 仿青蛙跳跃机构运动模型的建立.......................................................... 28 3.4.1 起跳阶段后肢运动模型的建立....................................................... 28 3.4.2 腾空阶段后肢运动模型的建立....................................................... 30 3.4.3 起跳阶段前肢运动模型的建立....................................................... 31 3.4.4 腾空阶段前肢运动模型的建立....................................................... 32 3.5 仿青蛙跳跃机器人的运动学分析.......................................................... 33 3.5.1 起跳阶段仿青蛙跳跃机器人后肢运动学分析 ............................... 33 3.5.2 腾空阶段仿青蛙跳跃机器人后肢运动学分析 ............................... 35 3.5.3 起跳阶段仿青蛙跳跃机器人前肢运动学分析 ............................... 37 3.5.4 腾空阶段仿青蛙跳跃机器人前肢运动学分析 ............................... 38 3.5.5 运动学的计算分析 .......................................................................... 39 3.6 仿青蛙跳跃机器人的简化模型仿真...................................................... 41 3.7 本章小结................................................................................................. 42 第 4 章仿生机器蛙跳跃机构设计与仿真....................................................... 43 4.1 引言......................................................................................................... 43 4.2 机器蛙跳跃机构的研究 ......................................................................... 43 4.2.1 青蛙的生物特征总结 ...................................................................... 43 4.2.2 跳跃机构构型的确定 ...................................................................... 44 4.2.3 平行四边形跳跃机构的力—位移关系 ........................................... 44 4.2.4 平行四边形跳跃机构的特点........................................................... 45 4.3 简化跳跃模型分析 ................................................................................. 46 4.4 仿生机器蛙的设计与仿真 ..................................................................... 48 4.4.1 机构总体方案 .................................................................................. 48 4.4.2 机构仿真.......................................................................................... 52 4.5 本章小结................................................................................................. 53 结论 ................................................................................................................... 54 参考文献............................................................................................................ 55 攻读学位期间发表的学术论文 ........................................................................ 58 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明..................................................... 59 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书..................................................... 59 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理......................................................... 59 致谢 ................................................................................................................... 60

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论 1.1课题背景及研究的目的和意义当前，机器人的使用范围越来越大，随着其应用领域的扩展，机器人的使用场所也在不断丰富，对其运动的范围也有了更高的要求。面对恶劣的环境和复杂的地形，要求机器人具有很强的自主运动能力、生存能力及较高的运动灵活性。轮式或履带式机器人和仿生爬行或步行式机器人是目前自主式移动机器人的研究的主要对象山。然而，轮式或履带式机器人只适于工作在相对平坦的地面上，在凹凸不平的地面上的运动性能有较大的削弱：另外，步行或爬行机器人有自由度多，控制复杂，运动缓慢等缺点，同样无法满足越障的需要2.引。在很多机器人的实际应用中，要求其具备跃过障碍物或沟渠的能力。然而，多轮驱动以及爬行机器人无法满足这种要求，因此迫切需要研制一个具有穿越建筑物楼梯，碎石甚至森林和沙漠的弹跳式机器人，从而大大提高机器人的活动范围。相对于其它几种方式的移动机器人，弹跳式机器人可以轻而易举的跃过数倍甚至数十倍于自己的障碍物或沟渠，更适合复杂和不可预测的环境。另外，弹跳运动的突然性与爆发性有利于机器人躲避危险。并且由于各星球间重力加速度的差别，使弹跳式机器人在星际探险中也能发挥重大作用，此外，在考古探测、军事侦察、反恐活动中也有很好的应用前景山。近二十年来，仿生机器人的研究一直是一个非常活跃的领域。黑格尔说过：“存在即合理”。暂且不讨论这种表述的正确性，不过经过千百万年的进化，生物体身体结构和运动方式确实体现出相当的合理性、科学性、进步性。35亿年的进化过程中，生物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式，这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。仿生学在机器人科学中的应用，推动了机器人的适应能力向非结构化、未知的环境发展46。为将生物体结构合理性运用在机器人的设计中，选择了从仿生角度来设计弹跳机器人。比较典型的几种跳跃型生物有青蛙、袋鼠、蝗虫以及一些典型的四足哺乳类动物（如猫、狗）等。本文将以青蛙为研究对象，进行仿青蛙跳跃机器人的运动机理分析。为获取青蛙跳跃过程中的运动轨迹，提出一种空间运动轨迹的提取方法，也可为其它仿生机器人研究使用

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第1章绪论 1.1 课题背景及研究的目的和意义当前，机器人的使用范围越来越大，随着其应用领域的扩展，机器人的使用场所也在不断丰富，对其运动的范围也有了更高的要求。面对恶劣的环境和复杂的地形，要求机器人具有很强的自主运动能力、生存能力及较高的运动灵活性。轮式或履带式机器人和仿生爬行或步行式机器人是目前自主式移动机器人的研究的主要对象[1]。然而，轮式或履带式机器人只适于工作在相对平坦的地面上，在凹凸不平的地面上的运动性能有较大的削弱；另外，步行或爬行机器人有自由度多，控制复杂，运动缓慢等缺点，同样无法满足越障的需要[2，3]。在很多机器人的实际应用中，要求其具备跃过障碍物或沟渠的能力。然而，多轮驱动以及爬行机器人无法满足这种要求，因此迫切需要研制一个具有穿越建筑物楼梯，碎石甚至森林和沙漠的弹跳式机器人，从而大大提高机器人的活动范围。相对于其它几种方式的移动机器人，弹跳式机器人可以轻而易举的跃过数倍甚至数十倍于自己的障碍物或沟渠，更适合复杂和不可预测的环境。另外，弹跳运动的突然性与爆发性有利于机器人躲避危险。并且由于各星球间重力加速度的差别，使弹跳式机器人在星际探险中也能发挥重大作用，此外，在考古探测、军事侦察、反恐活动中也有很好的应用前景[1]。近二十年来，仿生机器人的研究一直是一个非常活跃的领域。黑格尔说过：“存在即合理”。暂且不讨论这种表述的正确性，不过经过千百万年的进化，生物体身体结构和运动方式确实体现出相当的合理性、科学性、进步性。35 亿年的进化过程中，生物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式，这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。仿生学在机器人科学中的应用，推动了机器人的适应能力向非结构化、未知的环境发展[4~6]。为将生物体结构合理性运用在机器人的设计中，选择了从仿生角度来设计弹跳机器人。比较典型的几种跳跃型生物有青蛙、袋鼠、蝗虫以及一些典型的四足哺乳类动物（如猫、狗）等。本文将以青蛙为研究对象，进行仿青蛙跳跃机器人的运动机理分析。为获取青蛙跳跃过程中的运动轨迹，提出一种空间运动轨迹的提取方法，也可为其它仿生机器人研究使用

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2仿生机器人的研究概述仿生学出现在20世纪60年代，是以生物为研究对象，研究生物系统的结构性质、能量转换和信息过程，并将所获得的知识用来改善现有的和创造崭新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程的科学，是生物科学与工程技术相结合的一门综合的边缘学科7]。仿生学应用于机器人学主要体现在结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生及群体仿生五个方面，拓宽了机器人的发展空间。关于仿生机器人的研究，美国和日本走在前列，此外加拿大、英国、瑞典、挪威、澳大利亚等国也都在开展这方而的技术研究。截至到目前，仿生机器人的研究主要有以下一些方向：无肢生物爬行仿生、双足生物行走仿生、四足等多足生物行走仿生、跳跃运动仿生、地下生物运动仿生、水中生物运动仿生、空中生物运动仿生、执行运动仿生5，刀。无论是上述哪个方向的仿生机器人研究，都要面临相同的研究问题，即4，)： ()建模问题仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都是冗余度或超冗余度机器人，结构复杂。运动学和动力学模型与常规机器人有很大差别，且复杂程度更大。为此，研究建模问题，实现机构的可控化是研究仿生机器人的关键问题之一。 (2)信息融合问题在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同的物体和未知的环境的感知，都装备有一定量的传感器，多传感器的信息融合技术是实现其具有一定智能的关键。信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性。 (3)控制优化问题1]机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化。复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积，要做到“整体大于组分之和”，同时要研究高效优化的控制算法才能使系统具有实时处理能力。 (④)机构设计问题合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。生物的形态经过千百万年的进化，其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物机体和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单机构组成高灵活的机器人机

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1.2 仿生机器人的研究概述仿生学出现在 20 世纪 60 年代，是以生物为研究对象，研究生物系统的结构性质、能量转换和信息过程，并将所获得的知识用来改善现有的和创造崭新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程的科学，是生物科学与工程技术相结合的一门综合的边缘学科[7~9]。仿生学应用于机器人学主要体现在结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生及群体仿生五个方面，拓宽了机器人的发展空间[6]。关于仿生机器人的研究，美国和日本走在前列，此外加拿大、英国、瑞典、挪威、澳大利亚等国也都在开展这方而的技术研究。截至到目前，仿生机器人的研究主要有以下一些方向：无肢生物爬行仿生、双足生物行走仿生、四足等多足生物行走仿生、跳跃运动仿生、地下生物运动仿生、水中生物运动仿生、空中生物运动仿生、执行运动仿生[5，7]。无论是上述哪个方向的仿生机器人研究，都要面临相同的研究问题，即[4，5]： (1) 建模问题仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都是冗余度或超冗余度机器人，结构复杂。运动学和动力学模型与常规机器人有很大差别，且复杂程度更大。为此，研究建模问题，实现机构的可控化是研究仿生机器人的关键问题之一。 (2) 信息融合问题在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同的物体和未知的环境的感知，都装备有一定量的传感器，多传感器的信息融合技术是实现其具有一定智能的关键。信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性。 (3) 控制优化问题[10] 机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化。复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积，要做到“整体大于组分之和”，同时要研究高效优化的控制算法才能使系统具有实时处理能力。 (4) 机构设计问题合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。生物的形态经过千百万年的进化，其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物机体和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单机构组成高灵活的机器人机