跳躍式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析.pdf

1、跳躍式機(jī)器人可以躍過(guò)數(shù)倍于自身高度的障礙物或溝渠，對(duì)地形有較強(qiáng)的適應(yīng)力，且跳躍運(yùn)動(dòng)的突然性與爆發(fā)性有助于機(jī)器人躲避危險(xiǎn)，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)和航天探測(cè)領(lǐng)域?qū)?huì)有廣泛的應(yīng)用。由于技術(shù)上的困難，目前國(guó)際上還處于初始研究階段，尚無(wú)可實(shí)際應(yīng)用的跳躍式機(jī)器人。跳躍式機(jī)器人可分為連續(xù)性跳躍式機(jī)器人與間歇性跳躍式機(jī)器人，其中間歇性跳躍式機(jī)器人不需要時(shí)刻保持對(duì)機(jī)體的平衡控制，又具有構(gòu)建簡(jiǎn)單、跳躍高度大等特點(diǎn)。本文以間歇性跳躍式機(jī)器人為研究對(duì)象，構(gòu)建了多種跳躍機(jī)

2、構(gòu)和集跳躍運(yùn)動(dòng)、輪式移動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式的間歇性跳躍式機(jī)器人，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)方面的分析。本文的許多分析過(guò)程與研究結(jié)論對(duì)于連續(xù)性跳躍式機(jī)器人的研究也有參考意義。論文的主要內(nèi)容如下： 1．對(duì)比分析了連續(xù)性跳躍運(yùn)動(dòng)和間歇性跳躍運(yùn)動(dòng)、連續(xù)性跳躍式機(jī)器人和間歇性跳躍式機(jī)器人的異同點(diǎn)，概述了跳躍式機(jī)器人的研究起源、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)了跳躍式機(jī)器人的主要構(gòu)建方法，指出了跳躍式機(jī)器人目前研究面臨的主要問(wèn)題，并提出了可行的解決途徑，

3、給出了跳躍式機(jī)器人的諸多實(shí)例。 2．給出了線性彈性腿跳躍機(jī)構(gòu)、六桿式蓄能腿跳躍機(jī)構(gòu)、改進(jìn)后的六桿式蓄能腿跳躍機(jī)構(gòu)等三種跳躍機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理分析。設(shè)計(jì)了一個(gè)同時(shí)具有輪式移動(dòng)、跳躍兩種運(yùn)動(dòng)方式的自主式運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人在較平坦地形下采用輪式移動(dòng)方式前行，遇到障礙物或溝渠時(shí)，可以進(jìn)行跳躍，從而擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)范圍。首先概括介紹了該機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，然后詳細(xì)分析了機(jī)器人的跳躍機(jī)構(gòu)、跳躍參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傾覆翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、落

4、地緩沖機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的工作原理，并給出了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求計(jì)算了關(guān)鍵參數(shù)，并選定了蓄能彈簧、壓縮鎖定釋放電機(jī)、起跳角度調(diào)節(jié)電機(jī)、行走電機(jī)、拉伸鋼絲繩等器件。 3．給出了單自由度質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)模型、雙質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)模型等基本跳躍模型的動(dòng)力學(xué)分析，得出了模型的起跳條件、能量損失原因等結(jié)論。把驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和跳躍機(jī)構(gòu)一起加以考慮，綜合了各種阻尼的影響，構(gòu)建了線性彈性腿跳躍模型、六桿式蓄能腿跳躍模型、帶有扭簧的六桿式蓄能腿跳躍模型

5、等三種跳躍模型。采用二階拉格朗日方程分析方法，對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和比較，求出了這三種跳躍模型的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程和跳躍高度、能量損失的計(jì)算公式。從影響跳躍高度的因素、跳躍過(guò)程中能量損失的主要原因、影響跳躍的其它因素等三方面入手，具體分析了影響跳躍運(yùn)動(dòng)的諸多因素。 4．建立了間歇性跳躍式機(jī)器人模型，對(duì)其單環(huán)跳躍軌跡進(jìn)行了計(jì)算分析，繪出了單環(huán)跳躍軌跡拋物線頂點(diǎn)構(gòu)成的橢圓。把軌跡預(yù)測(cè)理論應(yīng)用于水平地面跳躍、躍過(guò)溝渠、跨越障礙物、躍上或躍

6、下臺(tái)階等幾種典型地形下跳躍過(guò)程的分析中。給出了該模型的跳躍控制函數(shù)，提出了單環(huán)跳躍代價(jià)函數(shù)和總體跳躍代價(jià)函數(shù)的概念，并應(yīng)用于跳躍式機(jī)器人的多環(huán)跳躍序列規(guī)劃。給出了該跳躍式機(jī)器人的一個(gè)多環(huán)跳躍序列規(guī)劃過(guò)程。以質(zhì)量-彈簧跳躍模型為分析對(duì)象，研究了前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在跳躍運(yùn)動(dòng)分析中的應(yīng)用。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NeuroSolutions構(gòu)建了該前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析器，并給出了仿真過(guò)程及仿真結(jié)果，且用袋鼠和人體跳躍過(guò)程中的一些參數(shù)來(lái)驗(yàn)證此MLPs神經(jīng)