青蛙游動機理研究及仿生機器人機構(gòu)設計.pdf

1、近年來為了適應不同海洋環(huán)境和任務要求，仿生推進技術(shù)的研究受到人們的廣泛關注，不同形式的水下推進技術(shù)的研究，對豐富和完善水下推進技術(shù)、拓展水下機器人的應用范圍具有重要的研究意義和實用價值。
　　青蛙是著名的兩棲運動的代表，借助其帶蹼的腳掌和修長的后肢，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，因此在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中有著突出的運動能力。青蛙軀干扁平，頭部略尖，這樣的體型有利于減少游動過程中的水下阻力，實現(xiàn)破水前進。與前肢相比，青

2、蛙后肢長度占整體的比例很大，且后肢大而強健，趾間有蹼，從而可以增大排水面積，實現(xiàn)快速游動。為了將生物青蛙的優(yōu)勢應用在機器人的設計中，本文將從仿生的角度來完成青蛙游動機理研究及仿青蛙游動機器人機構(gòu)設計。
　　為了獲取生物青蛙軀干運動學規(guī)律和各關節(jié)運動軌跡信息，以爪蟾蜍為研究對象，利用高速攝像機記錄該研究對象的游動過程，并建立了青蛙游動數(shù)據(jù)采集平臺。為了完成實驗后期的圖像信息處理，除了通過建立針孔攝像機模型實現(xiàn)計算機像素坐標系到世界坐

3、標系的轉(zhuǎn)換以外，還針對介質(zhì)折射帶來的誤差給出相應的解決方法，最終可獲得用于青蛙游動機理分析以及后續(xù)仿生機器人設計的實驗結(jié)果。
　　通過對前期觀測實驗得到的實驗數(shù)據(jù)進行青蛙游動機理研究，以青蛙生物結(jié)構(gòu)分析為基礎，設計原理樣機并選擇氣動肌肉驅(qū)動復現(xiàn)其游動動作，以實現(xiàn)仿青蛙游動機器人的水下快速運動，最后利用前期觀測實驗獲取的生物青蛙各關節(jié)運動軌跡作為機器人關節(jié)的驅(qū)動輸入進行動力學仿真分析，驗證了仿青蛙游動機器人原理樣機設計的可行性。

4、r>　　通過對研制的仿青蛙游動機器人機構(gòu)進行簡化，建立機器人系統(tǒng)運動學模型，采用D-H方法對機器人進行正逆運動學分析，得到了各桿件的運動學參數(shù)，在此運動學分析的基礎上，利用拉格朗日功能平衡法建立機器人系統(tǒng)的動力學方程，通過逆動力學分析將前期生物青蛙觀測實驗獲取的各關節(jié)運動軌跡轉(zhuǎn)化為各關節(jié)驅(qū)動力矩。
　　最后對研制出的仿青蛙游動機器人進行水下游動實驗，驗證了基于生物青蛙運動觀測仿生研究的合理性，以及基于氣動肌肉驅(qū)動的仿青蛙游動機器人