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_2010-仿蝗虫跳跃机器人运动学、动力学研究及仿生关节设计.pdf_大学文库

第 V 页目录摘要........................................................................................................................................................ I ABSTRACT ......................................................................................................................................... III 第一章绪论............................................................................................................................................1 1.1 仿生跳跃机器人研究的意义........................................................................................................1 1.2 仿生跳跃运动分类.......................................................................................................................2 1.2.1 连续跳跃运动.......................................................................................................................2 1.2.2 间歇性跳跃运动...................................................................................................................3 1.3 仿生跳跃机器人研究现状............................................................................................................3 1.3.1 一般仿生跳跃机器人研究现状...........................................................................................3 1.3.2 仿蝗虫跳跃机器人研究现状...............................................................................................6 1.4 本文研究的主要内容...................................................................................................................7 1.4.1 研究方法及目标...................................................................................................................7 1.4.2 内容安排...............................................................................................................................8 1.5 本章小结.......................................................................................................................................9 第二章蝗虫的生物原型分析及仿生模型的建立 ..............................................................................10 2.1 蝗虫的生物原型.........................................................................................................................10 2.1.1 蝗虫的身体结构.................................................................................................................10 2.1.2 蝗虫后足的构造.................................................................................................................11 2.1.3 蝗虫起跳过程.....................................................................................................................13 2.2 仿蝗虫机器人机构模型的建立.................................................................................................14 2.2.1 机构模型及坐标系的建立.................................................................................................14 2.2.2 基本运动参数.....................................................................................................................16 2.3 本章小结.....................................................................................................................................19 第三章仿蝗虫机器人起跳过程运动学研究 ......................................................................................20 3.1 起跳过程正运动学分析..............................................................................................................20 3.1.1 躯体位姿方程的推导.........................................................................................................20 3.1.2 躯体位姿变化分析.............................................................................................................22 3.2 起跳过程逆运动学分析..............................................................................................................25 3.3 起跳过程的速度分析..................................................................................................................27 3.3.1 躯体质心速度方程.............................................................................................................27 3.3.2 起跳速度计算及分析.........................................................................................................29

第 VI 页 3.4 起跳过程速度可操作性分析......................................................................................................33 3.4.1 速度的方向可操作性测度.................................................................................................33 3.4.2 速度可操作性分析.............................................................................................................34 3.5 本章小结.....................................................................................................................................36 第四章仿蝗虫机器人起跳过程动力学及空中运动研究 ..................................................................37 4.1 起跳过程加速度分析..................................................................................................................37 4.1.1 跳跃的力学解释.................................................................................................................37 4.1.2 躯体质心的加速度方程.....................................................................................................39 4.2 起跳过程动力学分析.................................................................................................................40 4.2.1 机器人动力学分析方法.....................................................................................................40 4.2.2 拉格朗日方程的推导.........................................................................................................40 4.2.3 计算结果及分析.................................................................................................................43 4.3 起跳过程动量矩分析及优化.....................................................................................................46 4.3.1 动量矩分析.........................................................................................................................46 4.3.2 质心轨迹优化.....................................................................................................................48 4.4 空中运动研究.............................................................................................................................50 4.5 本章小结.....................................................................................................................................52 第五章仿蝗虫机器人腿部膝关节设计 ..............................................................................................54 5.1 关节设计的仿生学解释..............................................................................................................54 5.1.1 蝗虫后腿膝关节的特殊结构.............................................................................................54 5.1.2 仿生膝关节的组成部分.....................................................................................................54 5.2 储能元件选择.............................................................................................................................55 5.3 蓄力及释放装置设计.................................................................................................................57 5.3.1 基于凸轮的设计方案.........................................................................................................57 5.3.2 从动件运动规律.................................................................................................................57 5.3.3 凸轮廓线的优化设计.........................................................................................................59 5.3.4 仿生膝关节运动仿真.........................................................................................................63 5.4 本章小结.....................................................................................................................................66 第六章总结与展望..............................................................................................................................67 6.1 全文总结.....................................................................................................................................67 6.2 研究展望.....................................................................................................................................68 参考文献..........................................................................................................................................69 致谢....................................................................................................................................................72 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 ............................................................................................73

第一章绪论 1.1仿生跳跃机器人研究的意义机器人是人类最伟大的发明之一，机器人的出现从各个角度改变着人类社会。随着科学技术的不断进步，机器人的功能越来越强大，智能程度越来越高，应用的范围也越来越广，目前机器人广泛应用于工业、医疗、科研、军事和娱乐等领域。在种类繁多的机器人当中，移动式机器人是一个重要的分支，它是指机器人本身不固定，能够在较大范围内运动的机器人。移动机器人的种类很多，按运动方式和特点可分为轮式机器人、履带式机器人、多足爬行或步行机器人等，这些机器人的研究和开发己比较成熟，并广泛应用在各个领域。但是，这些移动机器人都需要紧贴着地面运动，当遇到较大的障碍物或者是沟渠时，传统的移动方式就无能为力了。随着机器人应用范围的扩大，我们需要机器人能够在恶劣的、非结构化的、未知的环境中生存及工作，这就要求机器人具有很强的自主运动及地形适应能力。跳跃机器人恰好能够克服传统移动机器人的缺点，其具有较强的运动性，能够越过数倍于自身尺寸的障碍物或沟渠，对地形有较强的适应力，且跳跃运动的突然性和爆发性有助于机器人躲避危险。在地球上，跳跃机器人以其强大的越障能力、极快的跳跃速度、强大的地面适应能力、广阔的移动范围，为其在军事侦查、抢险救灾等领域提供了良好的发展前景。在星际探索中，由于月球与火星表面的重力加速度远远低于地球表面的重力加速度，跳跃机器人能充分利用这个特点来达到扩大运动范围和节省能量的目的。仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘学科，它由生命科学与工程技术科学互相渗透、互相结合而成，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程山。在机器人领域里，仿生机器人应运而生，仿生机器人是模仿自然界中生物体的精巧结构、运动原理和行为方式等的机器人系统。近年来，仿生机器人的研究己成为机器人领域的研究热点，因为在漫长的进化过程中，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。第1页

第 1 页第一章绪论 1.1 仿生跳跃机器人研究的意义机器人是人类最伟大的发明之一，机器人的出现从各个角度改变着人类社会。随着科学技术的不断进步，机器人的功能越来越强大，智能程度越来越高，应用的范围也越来越广，目前机器人广泛应用于工业、医疗、科研、军事和娱乐等领域。在种类繁多的机器人当中，移动式机器人是一个重要的分支，它是指机器人本身不固定，能够在较大范围内运动的机器人。移动机器人的种类很多，按运动方式和特点可分为轮式机器人、履带式机器人、多足爬行或步行机器人等，这些机器人的研究和开发已比较成熟，并广泛应用在各个领域。但是，这些移动机器人都需要紧贴着地面运动，当遇到较大的障碍物或者是沟渠时，传统的移动方式就无能为力了。随着机器人应用范围的扩大，我们需要机器人能够在恶劣的、非结构化的、未知的环境中生存及工作，这就要求机器人具有很强的自主运动及地形适应能力。跳跃机器人恰好能够克服传统移动机器人的缺点，其具有较强的运动性，能够越过数倍于自身尺寸的障碍物或沟渠，对地形有较强的适应力，且跳跃运动的突然性和爆发性有助于机器人躲避危险。在地球上，跳跃机器人以其强大的越障能力、极快的跳跃速度、强大的地面适应能力、广阔的移动范围，为其在军事侦查、抢险救灾等领域提供了良好的发展前景。在星际探索中，由于月球与火星表面的重力加速度远远低于地球表面的重力加速度，跳跃机器人能充分利用这个特点来达到扩大运动范围和节省能量的目的。仿生学是 20 世纪 60 年代出现的一门综合性边缘学科，它由生命科学与工程技术科学互相渗透、互相结合而成，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程[1]。在机器人领域里，仿生机器人应运而生，仿生机器人是模仿自然界中生物体的精巧结构、运动原理和行为方式等的机器人系统。近年来，仿生机器人的研究已成为机器人领域的研究热点，因为在漫长的进化过程中,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