氣動肌肉驅(qū)動的仿青蛙跳躍機器人及其關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、跳躍機器人可以廣泛地應用于考古、星際探測、反恐和資源勘探等領(lǐng)域。相對于輪式和行走式機器人，跳躍式機器人的特點是利用跳躍運動前進，具有移動速度快、越障能力強的特點。但是跳躍機器人的運動過程中與地面間的接觸情況不斷變化，存在著與地面碰撞沖擊，使得機器人的動力學過程存在著連續(xù)狀態(tài)和碰撞離散狀態(tài)相混雜的特點，具有高度的非線性。另外在給定特定任務的情況下，如何合理規(guī)劃任務空間和關(guān)節(jié)空間的軌跡，也是一個難點。傳統(tǒng)的跳躍機器人多采用“電機+彈簧”的方

2、式為跳躍運動提供動力，這種傳動方式采用齒輪、棘輪等復雜的傳動機構(gòu)，容易出現(xiàn)卡死等故障，本文針對這種不足，采用氣動人工肌肉作為動力裝置，利用氣動肌肉的輸出力大、傳動裝置簡單的優(yōu)點，進行跳躍機器人的機構(gòu)設計。但是氣動肌肉具有高度的非線性，力-位移存在滯環(huán)特性，力學模型的建立是一個難點。由于力學模型非線性和氣體可壓縮性特點，精確的位置控制方法的研究也是一個難點。
　　本文在課題組對青蛙的生理結(jié)構(gòu)和跳躍特點已經(jīng)進行深入研究的基礎(chǔ)上，以氣動

3、肌肉作為驅(qū)動器，構(gòu)建仿青蛙跳躍機器人本體，對機器人的運動學和動力學特性、氣動肌肉的力學模型、實現(xiàn)規(guī)則地形下的特定跳躍任務時的軌跡規(guī)劃、氣動肌肉驅(qū)動關(guān)節(jié)控制策略和機器人運動控制器等問題進行研究。
　　本文首先簡要分析青蛙的生理結(jié)構(gòu)和跳躍運動特點，建立青蛙跳躍運動等效六桿模型，在ADAMS中對六桿機構(gòu)進行優(yōu)化仿真，為機器人機構(gòu)設計提供參考；對機器人的后肢進行設計，并設計出前肢和整機；根據(jù)機器人的狀態(tài)信息采集的需要，選用相關(guān)傳感器。

4、r>　　分析機器人跳躍過程的欠驅(qū)動特性，將跳躍過程劃分為不同的子相，建立統(tǒng)一的運動學模型；對跳躍過程的動力學特性進行分析，基于拉格朗日方程分別建立連續(xù)動力學方程和碰撞離散相動力學方程，并分析不同子相運動狀態(tài)切換的條件。氣動人工肌肉的力學特性是機器人設計和控制的基礎(chǔ)，因此對氣動人工肌肉的力學特性進行研究。采用機理建模和實驗建模兩種手段對氣動肌肉的力學行為進行建模。機理模型以Chou理想模型為基礎(chǔ)，考慮橡膠壁彈性、纖維網(wǎng)彈性和內(nèi)部摩擦等因素

5、的影響；為了實際控制的需要，利用實驗手段了建立現(xiàn)象模型；對于PAM內(nèi)部復雜的充氣和排氣過程，利用實驗數(shù)據(jù)建立了排氣階段和充氣階段的現(xiàn)象模型。
　　以規(guī)則地形下的給定跳躍高度和遠度為任務目標，研究軌跡規(guī)劃問題。對欠驅(qū)動關(guān)節(jié)的求解問題進行深入分析。以地面對機器人反作用力最大值最小為目標，對任務空間的軌跡進行優(yōu)化；在任務空間軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上，以消耗的主動力矩最小為目標，對關(guān)節(jié)空間進行軌跡優(yōu)化，并進行仿真。
　　設計機器人的運動控制

6、器。對氣動肌肉驅(qū)動關(guān)節(jié)的位置控制策略進行研究，構(gòu)建單自由度的氣動肌肉驅(qū)動關(guān)節(jié)實驗平臺，以實驗平臺動力學模型和所建立的氣動肌肉實驗模型為基礎(chǔ)，進行P I D串級位置控制方法和RBFNN-PID串級位置控制方法的研究。基于氣動肌肉驅(qū)動關(guān)節(jié)的位置控制策略，建立機器人的控制器，使用RBFNN-PID串級控制方法對各個關(guān)節(jié)分別進行控制，并進行matlab/adams聯(lián)合仿真。
　　設計了機器人的控制系統(tǒng)，并進行位姿調(diào)整和跳躍運動的實驗研究。