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