哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 仿生跳跃机器人凭借其优越的越障能力以及环境适应能力已成为目前国内 外研究的热点。本文对已有的仿青蛙跳跃机器人进行分析，提出有效可行的机 构改进和优化的方案，并利用ADAMS进行性能仿真验证。同时采用实验的方 法建立了跳跃机构驱动元件一气动人工肌肉的数学模型，并研究气动人工肌 肉的位置控制策略以实现机器人的位姿调整。在此基础上设计搭建了跳跃机构 的控制系统，进行跳跃机构跳跃性能实验，实现跳跃机构不同类型的跳跃。 首先，推导气动人工肌肉的理想数学模型，在此基础上考虑影响肌肉特性 的各个原因，推导出改进的肌肉驱动数学模型，并将理想模型、改进模型和实 验曲线进行对比。考虑到设计控制器对肌肉模型的要求，提出一种建立简单肌 肉经验模型的方法，利用此种方法通过实验建立机器人所用的两种肌肉的经验 模型，并在实验中验证此模型的正确性。 其次，考虑到跳跃机构在跳跃过程中跳跃角度对跳跃性能的影响，基于人 工肌肉的数学模型，利用模糊控制方法和双层PD控制方法设计了人工肌肉的 位置控制器以用于实现机器人的姿态调整，在MATLAB Simulink中进行系统 仿真，并在实验中验证所提控制方法的可行性。 此外，针对前一代仿生跳跃机器人在机构设计中存在的不足，对其进行机 构改进和优化，设计加入关节力闭环和角度数据采集单元，以实现跳跃机构在 跳跃过程中关节角度信息的实时检测和力、位置的闭环控制。并对改进后的跳 跃机构进行ADAMS仿真，验证了改进后跳跃机构的跳跃性能。 最后，搭建仿蛙腿跳跃机构的控制系统实验平台，在此基础上进行跳跃机 构位姿调整实验和跳跃实验，以验证本文所提出的气动肌肉位置控制策略和控 制系统设计的有效性。同时在机器人跳跃实验中通过多次测试机器人的跳远、 跳高和翻越障碍物的能力，总结出影响机器人跳跃性能的主要因素，为仿生跳 跃机构以后的进一步优化和改进奠定基础 关键词：仿蛙腿跳跃机构：人工肌肉：肌肉模型：位置控制：模糊控制哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 I 摘 要 仿生跳跃机器人凭借其优越的越障能力以及环境适应能力已成为目前国内 外研究的热点。本文对已有的仿青蛙跳跃机器人进行分析，提出有效可行的机 构改进和优化的方案，并利用 ADAMS 进行性能仿真验证。同时采用实验的方 法建立了跳跃机构驱动元件——气动人工肌肉的数学模型，并研究气动人工肌 肉的位置控制策略以实现机器人的位姿调整。在此基础上设计搭建了跳跃机构 的控制系统，进行跳跃机构跳跃性能实验，实现跳跃机构不同类型的跳跃。 首先，推导气动人工肌肉的理想数学模型，在此基础上考虑影响肌肉特性 的各个原因，推导出改进的肌肉驱动数学模型，并将理想模型、改进模型和实 验曲线进行对比。考虑到设计控制器对肌肉模型的要求，提出一种建立简单肌 肉经验模型的方法，利用此种方法通过实验建立机器人所用的两种肌肉的经验 模型，并在实验中验证此模型的正确性。 其次，考虑到跳跃机构在跳跃过程中跳跃角度对跳跃性能的影响，基于人 工肌肉的数学模型，利用模糊控制方法和双层 PID 控制方法设计了人工肌肉的 位置控制器以用于实现机器人的姿态调整，在 MATLAB Simulink 中进行系统 仿真，并在实验中验证所提控制方法的可行性。 此外，针对前一代仿生跳跃机器人在机构设计中存在的不足，对其进行机 构改进和优化，设计加入关节力闭环和角度数据采集单元，以实现跳跃机构在 跳跃过程中关节角度信息的实时检测和力、位置的闭环控制。并对改进后的跳 跃机构进行 ADAMS 仿真，验证了改进后跳跃机构的跳跃性能。 最后，搭建仿蛙腿跳跃机构的控制系统实验平台，在此基础上进行跳跃机 构位姿调整实验和跳跃实验，以验证本文所提出的气动肌肉位置控制策略和控 制系统设计的有效性。同时在机器人跳跃实验中通过多次测试机器人的跳远、 跳高和翻越障碍物的能力，总结出影响机器人跳跃性能的主要因素，为仿生跳 跃机构以后的进一步优化和改进奠定基础 关键词：仿蛙腿跳跃机构；人工肌肉；肌肉模型；位置控制；模糊控制