青蛙游動(dòng)機(jī)理研究及仿生機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).pdf

1、近年來(lái)為了適應(yīng)不同海洋環(huán)境和任務(wù)要求，仿生推進(jìn)技術(shù)的研究受到人們的廣泛關(guān)注，不同形式的水下推進(jìn)技術(shù)的研究，對(duì)豐富和完善水下推進(jìn)技術(shù)、拓展水下機(jī)器人的應(yīng)用范圍具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。
　　青蛙是著名的兩棲運(yùn)動(dòng)的代表，借助其帶蹼的腳掌和修長(zhǎng)的后肢，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的跳躍能力，還能在水中靈活游動(dòng)，因此在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中有著突出的運(yùn)動(dòng)能力。青蛙軀干扁平，頭部略尖，這樣的體型有利于減少游動(dòng)過(guò)程中的水下阻力，實(shí)現(xiàn)破水前進(jìn)。與前肢相比，青

2、蛙后肢長(zhǎng)度占整體的比例很大，且后肢大而強(qiáng)健，趾間有蹼，從而可以增大排水面積，實(shí)現(xiàn)快速游動(dòng)。為了將生物青蛙的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，本文將從仿生的角度來(lái)完成青蛙游動(dòng)機(jī)理研究及仿青蛙游動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　為了獲取生物青蛙軀干運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡信息，以爪蟾蜍為研究對(duì)象，利用高速攝像機(jī)記錄該研究對(duì)象的游動(dòng)過(guò)程，并建立了青蛙游動(dòng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。為了完成實(shí)驗(yàn)后期的圖像信息處理，除了通過(guò)建立針孔攝像機(jī)模型實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)像素坐標(biāo)系到世界坐

3、標(biāo)系的轉(zhuǎn)換以外，還針對(duì)介質(zhì)折射帶來(lái)的誤差給出相應(yīng)的解決方法，最終可獲得用于青蛙游動(dòng)機(jī)理分析以及后續(xù)仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　通過(guò)對(duì)前期觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行青蛙游動(dòng)機(jī)理研究，以青蛙生物結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)原理樣機(jī)并選擇氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)復(fù)現(xiàn)其游動(dòng)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)仿青蛙游動(dòng)機(jī)器人的水下快速運(yùn)動(dòng)，最后利用前期觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)獲取的生物青蛙各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡作為機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)輸入進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了仿青蛙游動(dòng)機(jī)器人原理樣機(jī)設(shè)計(jì)的可行性。

4、r>　　通過(guò)對(duì)研制的仿青蛙游動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，采用D-H方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到了各桿件的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，在此運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，利用拉格朗日功能平衡法建立機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)逆動(dòng)力學(xué)分析將前期生物青蛙觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)獲取的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)化為各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩。
　　最后對(duì)研制出的仿青蛙游動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行水下游動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于生物青蛙運(yùn)動(dòng)觀(guān)測(cè)仿生研究的合理性，以及基于氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的仿青蛙游動(dòng)機(jī)器人