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_2012-新型气动仿青蛙机器人设计及弹跳性能研究.pdf_大学文库

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要仿生青蛙跳跃机器人由于其越障能力强，能适应不同的地表，具有很强的环境适应能力，已经成为目前国内外研究的热点。本文在对生物青蛙肌骨骼系统进行研究的基础上，采用气动肌肉作为驱动元件，设计并研制了一种新型仿青蛙弹跳腿机构。对机器人进行建模，并对运动学、动力学和起跳轨迹规划进行了分析，通过计算机仿真和实物样机跳跃实验验证了跳跃机构设计的合理性。首先通过对国内外现有资料进行分析，总结出青蛙在跳跃过程中各关节运动轨迹规律：通过对青蛙跳跃的运动特征以及跳跃过程中腿部肌肉的伸缩情况进行分析，得出影响肌肉作用效果的因素：为了能够有效模仿生物肌肉的特性，采用Mckibben型气动肌肉作为驱动，研制出一种以气动肌肉为驱动的仿青蛙弹跳机构，并建立仿青蛙跳跃机器人的电气机械系统模型。将机器人的运动学分析分为地面阶段和腾空阶段，运用D-H方法分别对其进行运动学建模，对这两个阶段的正运动学和逆运动学问题分别进行求解。膝关节和踝关节的双关节机构采用曲柄滑块机构实现，对气动肌肉的收缩量问题进行分析，建立机器人运动与肌肉收缩量之间的转换关系。运用拉格朗日法建立了机器人跳跃过程的动力学方程。通过求解动力学逆问题，可以确定机器人在已知运动规律下的关节转矩大小。同时为了进行弹跳性能的分析，利用基于遗传算法的轨迹规划方法，以最小关节转矩为优化目标，在关节空间对机器人运动进行分析。在ADAMS虚拟环境中，利用弹簧阻尼单元模拟气动肌肉输出，对仿青蛙机器人的运动进行仿真。最后利用所研制的仿青蛙弹跳腿样机，进行了垂直跳跃实验与跳箱子实验，仿真和实验效果验证了气动肌肉驱动的仿青蛙弹跳机器人设计的可行性。关键词：跳跃机器人；仿青蛙：气动肌肉：运动学：动力学：轨迹规划 -I-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘要仿生青蛙跳跃机器人由于其越障能力强，能适应不同的地表，具有很强的环境适应能力，已经成为目前国内外研究的热点。本文在对生物青蛙肌骨骼系统进行研究的基础上，采用气动肌肉作为驱动元件，设计并研制了一种新型仿青蛙弹跳腿机构。对机器人进行建模，并对运动学、动力学和起跳轨迹规划进行了分析，通过计算机仿真和实物样机跳跃实验验证了跳跃机构设计的合理性。首先通过对国内外现有资料进行分析，总结出青蛙在跳跃过程中各关节运动轨迹规律；通过对青蛙跳跃的运动特征以及跳跃过程中腿部肌肉的伸缩情况进行分析，得出影响肌肉作用效果的因素；为了能够有效模仿生物肌肉的特性，采用 Mckibben 型气动肌肉作为驱动，研制出一种以气动肌肉为驱动的仿青蛙弹跳机构，并建立仿青蛙跳跃机器人的电气机械系统模型。将机器人的运动学分析分为地面阶段和腾空阶段，运用 D-H 方法分别对其进行运动学建模，对这两个阶段的正运动学和逆运动学问题分别进行求解。膝关节和踝关节的双关节机构采用曲柄滑块机构实现，对气动肌肉的收缩量问题进行分析，建立机器人运动与肌肉收缩量之间的转换关系。运用拉格朗日法建立了机器人跳跃过程的动力学方程。通过求解动力学逆问题，可以确定机器人在已知运动规律下的关节转矩大小。同时为了进行弹跳性能的分析，利用基于遗传算法的轨迹规划方法，以最小关节转矩为优化目标，在关节空间对机器人运动进行分析。在 ADAMS 虚拟环境中，利用弹簧阻尼单元模拟气动肌肉输出，对仿青蛙机器人的运动进行仿真。最后利用所研制的仿青蛙弹跳腿样机，进行了垂直跳跃实验与跳箱子实验，仿真和实验效果验证了气动肌肉驱动的仿青蛙弹跳机器人设计的可行性。关键词：跳跃机器人；仿青蛙；气动肌肉；运动学；动力学；轨迹规划

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract As bionic hopping robots have the characters of strong obstacle-overleaping ability and great field and environment adaptability,the relative research is a popular subject,recently.In the paper,pneumatic muscles are utilized as the driver, in terms of musculoskeletal system bionics.The model of the frog-inspired hopping robot is established,and kinematic and dynamic analysis,trajectory planning. motion simulation,and experiments are carried out in the paper. Frog joints trajectories during jumping are analyzed according to references about hopping robot domestic and overseas,and the factors of muscle performance are obtained through the analysis of frog jumping characters and the extensor motion during jumping.To simulate frog muscles,Mckibben pneumatic muscles are chosen to be drivers.A hopping mechanism powered by pneumatic muscles is developed,and the robot pneumatic-mechatronic model is established. Frog motion is divided into two phases,the ground phase and the flight phase. The kinematic model is established and the direct and inverse kinematic problems are analyzed through D-H method.Crankslider mechanisms are designed in the hip and knee joints to make the muscles in bioarticular form.The muscle contraction is analyzed,and the transformation between robot motion and muscle contraction is established. The robot dynamic equations are established according to the Lagrangian method.The driving torque of each joint can be computed by inverse dynamic analys is.To analyze the jumping performance,the trajectory planning in joint space based on the Genetic Algorithm(GA)is developed,and the optimum is to minimize the joint torque. The simulation in ADAMS is carried out to describe the jumping motion,and the spring-damping units are utilized to simulate the pneumatic muscles.Finally, frog-inspired hopping leg was developed experiments of vertical jumping and jumping into a box were conducted with the frog-inspired hopping leg that was developed,validating the feasibility of the pneumatic frog-inspired hopping robot. Key words:hopping robot,frog-inspired,pneumatic muscle,kinematic, dynamic,trajectory planning -1-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract As bionic hopping robots have the characters of strong obstacle-overleaping ability and great field and environment adaptability, the relative research is a popular subject, recently. In the paper, pneumatic muscles are utilized as the driver, in terms of musculoskeletal system bionics. The model of the frog-inspired hopping robot is established, and kinematic and dynamic analysis, trajectory planning, motion simulation, and experiments are carried out in the paper. Frog joints trajectories during jumping are analyzed according to references about hopping robot domestic and overseas, and the factors of muscle performance are obtained through the analysis of frog jumping characters and the extensor motion during jumping. To simulate frog muscles, Mckibben pneumatic muscles are chosen to be drivers. A hopping mechanism powered by pneumatic muscles is developed, and the robot pneumatic-mechatronic model is established. Frog motion is divided into two phases, the ground phase and the flight phase. The kinematic model is established and the direct and inverse kinematic problems are analyzed through D-H method. Crankslider mechanisms are designed in the hip and knee joints to make the muscles in bioarticular form. The muscle contraction is analyzed, and the transformation between robot motion and muscle contraction is established. The robot dynamic equations are established according to the Lagrangian method. The driving torque of each joint can be computed by inverse dynamic analysis. To analyze the jumping performance, the trajectory planning in joint space based on the Genetic Algorithm(GA) is developed, and the optimum is to minimize the joint torque. The simulation in ADAMS is carried out to describe the jumping motion, and the spring-damping units are utilized to simulate the pneumatic muscles. Finally, frog-inspired hopping leg was developed experiments of vertical jumping and jumping into a box were conducted with the frog-inspired hopping leg that was developed, validating the feasibility of the pneumatic frog-inspired hopping robot. Key words: hopping robot, frog-inspired, pneumatic muscle, kinematic, dynamic, trajectory planning

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目录摘要...............................................................................................................................I ABSTRACT.....................................................................................................................II 第 1 章绪论 ................................................................................................................1 1.1 课题背景................................................................................................................1 1.2 仿生跳跃机器人的研究现状 ..............................................................................2 1.2.1 国外研究现状................................................................................................2 1.2.2 国内研究现状................................................................................................4 1.3 气动肌肉驱动器综述...........................................................................................6 1.4 主要研究内容 .......................................................................................................7 第 2 章仿青蛙跳跃机器人设计 ...................................................................................8 2.1 引言 ........................................................................................................................8 2.2 青蛙生物特征 .......................................................................................................8 2.2.1 青蛙运动特征................................................................................................8 2.2.2 青蛙腿部伸肌分析 .......................................................................................8 2.2.3 影响肌肉作用效果的参数........................................................................ 10 2.3 气动肌肉特性 .................................................................................................... 10 2.3.1 气动肌肉模型介绍 .................................................................................... 10 2.3.2 气动肌肉输出特性 .....................................................................................11 2.3.3 气动肌肉与生物肌肉对比........................................................................ 12 2.4 机器人电气机械模型的建立 ........................................................................... 12 2.4.1 机器人机构模型建立 ................................................................................ 12 2.4.2 机器人机械机构设计 ................................................................................ 13 2.4.3 机器人电气系统模型 ................................................................................ 16 2.5 本章小结............................................................................................................. 16 第 3 章机器人运动学分析 ........................................................................................ 17 3.1 引言 ..................................................................................................................... 17 3.2 地面阶段运动学分析........................................................................................ 17 3.2.1 机器人运动模型的建立 ............................................................................ 17 3.2.2 正运动学问题............................................................................................. 19 3.2.3 逆运动学问题............................................................................................. 20 3.2.4 地面阶段速度求解 .................................................................................... 22

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 3.3 腾空阶段运动学分析........................................................................................ 23 3.3.1 机器人模型的建立 .................................................................................... 23 3.3.2 正运动学问题............................................................................................. 24 3.3.3 逆运动学问题............................................................................................. 26 3.4 气动肌肉的运动学分析.................................................................................... 27 3.4.1 滑块位移 ..................................................................................................... 27 3.4.2 关节运动分析............................................................................................. 28 3.4.3 气动肌肉收缩量的计算 ............................................................................ 28 3.4.4 气动肌肉运动学逆问题 ............................................................................ 30 3.5 本章小结............................................................................................................. 32 第 4 章机器人动力学分析与关节轨迹规划 ........................................................... 33 4.1 引言 ..................................................................................................................... 33 4.2 起跳阶段动力学分析........................................................................................ 33 4.2.1 动力学方程的建立 .................................................................................... 33 4.2.2 起跳判据分析............................................................................................. 36 4.3 腾空阶段动力学分析........................................................................................ 37 4.4 着陆阶段动力学分析........................................................................................ 40 4.4.1 机器人落地过程......................................................................................... 40 4.4.2 动力学方程的建立 .................................................................................... 40 4.5 跳跃轨迹规划 .................................................................................................... 42 4.5.1 轨迹规划模型的建立 ................................................................................ 42 4.5.2 基于遗传算法的轨迹规划........................................................................ 44 4.6 MATLAB 仿真结果 .............................................................................................. 44 4.6.1 轨迹规划结果............................................................................................. 44 4.6.2 动力学方程验证......................................................................................... 48 4.7 本章小结............................................................................................................. 49 第 5 章仿真与实验..................................................................................................... 50 5.1 引言 ..................................................................................................................... 50 5.2 跳跃机器人仿真 ................................................................................................ 50 5.2.1 基于 ADAMS 的虚拟仪器仿真 ............................................................... 50 5.2.2 运动学方程的验证 .................................................................................... 51 5.3 仿青蛙弹跳腿起跳实验.................................................................................... 53 5.3.1 弹跳腿样机实验平台 ................................................................................ 53 5.3.2 机器人跳跃实验......................................................................................... 54

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论 1.1课题背景随着机器人技术的不断发展，机器人的移动方式在不断改进，跳跃机器人能够比传统的轮式和履带式移动机器人更加适应非结构化环境。对有越障要求以及危险工作环境的任务，跳跃机器人也能够充分发挥自身的移动优势，实现更加灵活的自主运动和更加优秀的任务处理能力。跳跃机器人运动轨迹为一系列离散的着地和起跳点，因此对不平整地面有较好的适应性。在越障任务中，机器人可以跳跃超过自身尺寸数倍或者数十倍的障碍以及沟壑，充分体现出跳跃运动方式的优势山。同时，在空间星系探索中，例如月球等微重力环境下，跳跃运动能够实现更有效率的运动。此外，在抢险救灾活动中，跳跃机器人具有的爆发性和灵活性等特点，有助于实现避障，从而能够较好的应对各种不确定状况]。生物在自然界中经过了数百万年的不断演变，身体功能在结构上实现了刚性与柔性的完美统一，仿生研究因此有着广阔的素材空间。腿式跳跃机器人是通过仿生学原理，将机器人的设计从生物形态上或者结构功能上转化为工程领域中的样机4。腿式跳跃机器人的研究可以参考袋鼠，蝗虫，跳蚤，青蛙等生物来进行研究。这些跳跃中，袋鼠的跳跃运动属于连续型跳跃，即两次跳跃的时间间隔很小，在跳跃过程中动态的调整姿态和补充能量，这种方式有利于能量在跳跃过程中的循环利用：而青蛙的运动属于间歇型跳跃，即在两次跳跃之间存在明显的地面调整阶段，因而能够提高单次跳跃的水平。青蛙具有卓越的跳跃能力，主要依靠弹跳后腿起跳，前腿进行着陆缓冲，具有较大的研究价值，并且青蛙属于两栖动物，对日后进行两栖机器人的研究也有一定意义。起跳过程经历时间短，爆发力强，起跳过程姿态不易控制，这些特点是研究驱动和控制方面的难点。目前更多种类的驱动得到研究并且逐渐应用到机器人中，从传统的电机、发动机驱动方式，发展到以液压气动，生物能量，化学能量为能量源的驱动方式，并且各自有着不同的优点。其中气动驱动方式，能源清洁，效率高，空气有一定可压缩性，从而起到过载保护作用，适合应用到机器人的驱动中。因此，研究以青蛙为原型的气动仿青蛙跳跃机器人有着重要意义。本文资助来源于国家自然科学基金(51005052)“面向两栖应用的青蛙仿生机器人运动机理研究

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章绪论 1.1 课题背景随着机器人技术的不断发展，机器人的移动方式在不断改进，跳跃机器人能够比传统的轮式和履带式移动机器人更加适应非结构化环境。对有越障要求以及危险工作环境的任务，跳跃机器人也能够充分发挥自身的移动优势，实现更加灵活的自主运动和更加优秀的任务处理能力。跳跃机器人运动轨迹为一系列离散的着地和起跳点，因此对不平整地面有较好的适应性。在越障任务中，机器人可以跳跃超过自身尺寸数倍或者数十倍的障碍以及沟壑，充分体现出跳跃运动方式的优势[ 1]。同时，在空间星系探索中，例如月球等微重力环境下，跳跃运动能够实现更有效率的运动[2]。此外，在抢险救灾活动中，跳跃机器人具有的爆发性和灵活性等特点，有助于实现避障，从而能够较好的应对各种不确定状况[3]。生物在自然界中经过了数百万年的不断演变，身体功能在结构上实现了刚性与柔性的完美统一，仿生研究因此有着广阔的素材空间。腿式跳跃机器人是通过仿生学原理，将机器人的设计从生物形态上或者结构功能上转化为工程领域中的样机[4]。腿式跳跃机器人的研究可以参考袋鼠，蝗虫，跳蚤，青蛙等生物来进行研究。这些跳跃中，袋鼠的跳跃运动属于连续型跳跃，即两次跳跃的时间间隔很小，在跳跃过程中动态的调整姿态和补充能量，这种方式有利于能量在跳跃过程中的循环利用；而青蛙的运动属于间歇型跳跃，即在两次跳跃之间存在明显的地面调整阶段，因而能够提高单次跳跃的水平。青蛙具有卓越的跳跃能力，主要依靠弹跳后腿起跳，前腿进行着陆缓冲，具有较大的研究价值，并且青蛙属于两栖动物，对日后进行两栖机器人的研究也有一定意义。起跳过程经历时间短，爆发力强，起跳过程姿态不易控制，这些特点是研究驱动和控制方面的难点。目前更多种类的驱动得到研究并且逐渐应用到机器人中，从传统的电机、发动机驱动方式，发展到以液压气动，生物能量，化学能量为能量源的驱动方式，并且各自有着不同的优点。其中气动驱动方式，能源清洁，效率高，空气有一定可压缩性，从而起到过载保护作用，适合应用到机器人的驱动中。因此，研究以青蛙为原型的气动仿青蛙跳跃机器人有着重要意义。本文资助来源于国家自然科学基金(51005052) ―面向两栖应用的青蛙仿生机器人运动机理研究‖

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2仿生跳跃机器人的研究现状 1.2.1国外研究现状对于弹跳机器人的研究，MIT腿实验室的Raibert教授等人在八十年代研制的单腿弹跳机器人，是世界上最早的弹跳运动机器人。该机器人是单质量弹簧模型的平面弹跳机器人，运动在矢状面内，在地面阶段的运动状态与弹簧倒立摆模型相似，通过腿部的气缸进行驱动s]。Raibert等人还开发了仿生腿式跳跃机器人Uniroo6,如图1-1所示，其跳跃运动依然是2维的，各关节和肢体的结构与袋鼠相似，在实验中通过4个液压驱动器来驱动机器人的跳跃运动。如图1-2所示为Raibert教授等人研制的一种三维跳跃机器人。该系统由单条腿和上身组成，腿部由压缩空气驱动，相对上身有2个自由度，能够在长度方向进行收缩，在上身中安装有控制系统以及传感器。该机器人的控制原则是将控制系统解耦为3个部分进行控制，即机器人向前速度，腿与上身夹角控制和跳跃高度控制。该机器人能够实现灵活的跳跃运动，并且能够达到2.2/s的前进跳跃速度。图1-1二维跳跃机器人Uniroo 图1-2三维跳跃机器人3DOne-Leg Hopper 图1-3和图1-4是Jean-Cristophe Zufferey等人研制的一种弓形单腿弹跳机器人，Bow-Lg。该机器人以电机作为驱动器，在跳跃过程中通过调整弓形腿的张紧程度来驱动和控制机器人的跳跃。这种机构实现了在连续周期跳跃过程中对能量的有效利用，充分体现出连续型跳跃机器人在跳跃中有较高能量利用率的优势。并且弓形腿机构是一种柔性机构，这与生物跳跃过程中柔性肌肉组织，如肌腱和韧带等弹性结构在能量利用中的作用类似，对从生物肌肉驱动特性进行仿生研究有一定的参考意义刀。上述两类机器人是典型的连续型弹跳机器人，其地面阶段的时间很短，着陆后即进入起跳阶段，姿态的调整以及运动速度和高度的控制都是在跳跃过程 -2

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 1.2 仿生跳跃机器人的研究现状 1.2.1 国外研究现状对于弹跳机器人的研究，MIT 腿实验室的 Raibert 教授等人在八十年代研制的单腿弹跳机器人，是世界上最早的弹跳运动机器人。该机器人是单质量弹簧模型的平面弹跳机器人，运动在矢状面内，在地面阶段的运动状态与弹簧倒立摆模型相似，通过腿部的气缸进行驱动[5]。Raibert 等人还开发了仿生腿式跳跃机器人 Uniroo[6]，如图 1-1 所示，其跳跃运动依然是 2 维的，各关节和肢体的结构与袋鼠相似，在实验中通过 4 个液压驱动器来驱动机器人的跳跃运动。如图 1-2 所示为 Raibert 教授等人研制的一种三维跳跃机器人。该系统由单条腿和上身组成，腿部由压缩空气驱动，相对上身有 2 个自由度，能够在长度方向进行收缩，在上身中安装有控制系统以及传感器。该机器人的控制原则是将控制系统解耦为 3 个部分进行控制，即机器人向前速度，腿与上身夹角控制和跳跃高度控制。该机器人能够实现灵活的跳跃运动，并且能够达到 2.2m/s 的前进跳跃速度。图 1-1 二维跳跃机器人 Uniroo 图 1-2 三维跳跃机器人 3D One-Leg Hopper 图 1-3和图 1-4 是Jean-Cristophe Zufferey等人研制的一种弓形单腿弹跳机器人，Bow-Leg。该机器人以电机作为驱动器，在跳跃过程中通过调整弓形腿的张紧程度来驱动和控制机器人的跳跃。这种机构实现了在连续周期跳跃过程中对能量的有效利用，充分体现出连续型跳跃机器人在跳跃中有较高能量利用率的优势。并且弓形腿机构是一种柔性机构，这与生物跳跃过程中柔性肌肉组织，如肌腱和韧带等弹性结构在能量利用中的作用类似，对从生物肌肉驱动特性进行仿生研究有一定的参考意义[7]。上述两类机器人是典型的连续型弹跳机器人，其地面阶段的时间很短，着陆后即进入起跳阶段，姿态的调整以及运动速度和高度的控制都是在跳跃过程