氣動(dòng)單足機(jī)器人垂直跳躍動(dòng)態(tài)特性的研究.pdf

1、足式行走型機(jī)器人所獨(dú)有的小面積支撐、交叉跨步、跳躍越障的特點(diǎn)使其在占地廣闊的田間、山地、廢墟、戰(zhàn)場(chǎng)等復(fù)雜惡劣環(huán)境中行進(jìn)時(shí)具有輪式機(jī)器人無法比擬的優(yōu)越性，足式機(jī)器人行進(jìn)時(shí)支撐約束的多變以及與重心位置的復(fù)雜關(guān)系經(jīng)常使其處于靜態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)，而單足機(jī)器人是足式機(jī)器人中靜態(tài)最不穩(wěn)定的系統(tǒng)，研究單足機(jī)器人的跳躍能力和全局運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性對(duì)足式機(jī)器人的發(fā)展具有重大的理論意義和實(shí)際價(jià)值。
　　實(shí)現(xiàn)單足機(jī)器人自平衡穩(wěn)定跳躍的關(guān)鍵技術(shù)包括具有較強(qiáng)緩沖能力與

2、爆發(fā)力的跳躍技術(shù)和機(jī)身姿態(tài)檢測(cè)與調(diào)整技術(shù)。針對(duì)由機(jī)身和通過球鉸與之連接的彈跳腿組成的單足跳躍機(jī)器人，分析了用于調(diào)節(jié)彈跳腿相對(duì)機(jī)身擺動(dòng)時(shí)擺角和方位角的伺服液壓缸與機(jī)身和彈跳腿的連接方案，通過分析彈跳腿相對(duì)機(jī)身運(yùn)動(dòng)時(shí)各特征點(diǎn)所組成的直線和平面之間的幾何關(guān)系，運(yùn)用空間解析幾何向量代數(shù)的運(yùn)算法則，建立在兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)下彈跳腿相對(duì)機(jī)身擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解和正解方程。設(shè)計(jì)了由四個(gè)超聲波傳感器組成的機(jī)身姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)和兩個(gè)伺服液壓缸組成的機(jī)身姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)，

3、通過MATLAB仿真和SOLIDWORKS三維圖解驗(yàn)證所做理論分析、動(dòng)態(tài)建模和仿真結(jié)果的正確性。
　　依據(jù)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和自動(dòng)控制的基本理論，建立基于能量控制的氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律和氣體作用規(guī)律的分析，建立氣缸的動(dòng)力學(xué)方程、能量方程、流量方程、溫度方程和摩擦力方程，使用能量差PD算法控制活塞的定位過程。在MATLAB上建立騰空相彈跳腿氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)仿真模型并對(duì)活塞的定位過程和定位精度進(jìn)行仿真研究。

4、r>　　綜合應(yīng)用動(dòng)力學(xué)、碰撞和自動(dòng)控制理論以及氣動(dòng)伺服系統(tǒng)研究成果，建立單足機(jī)器人落地碰撞、觸地相、起跳沖擊和騰空相運(yùn)動(dòng)過程數(shù)學(xué)模型和垂直跳躍綜合動(dòng)態(tài)模型，在MATLAB上建立和調(diào)試聯(lián)合仿真模型，對(duì)單足機(jī)器人垂直跳躍運(yùn)動(dòng)過程和動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行仿真研究，在理論上驗(yàn)證所建數(shù)學(xué)模型的正確性。對(duì)機(jī)器人前一周期跳躍高度、落地時(shí)刻氣缸下腔預(yù)設(shè)氣壓和活塞預(yù)設(shè)相對(duì)坐標(biāo)、觸地相氣缸上腔充排氣起始?xì)鈮?、上下腔充排氣轉(zhuǎn)換相對(duì)坐標(biāo)和節(jié)流口面積對(duì)機(jī)器人跳躍

5、高度的影響規(guī)律進(jìn)行仿真研究，尋找實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定垂直跳躍的上述參數(shù)的可用區(qū)間和較佳區(qū)間。對(duì)機(jī)器人落地時(shí)刻氣缸下腔預(yù)設(shè)氣壓和活塞預(yù)設(shè)相對(duì)坐標(biāo)、觸地相氣缸上下腔充排氣轉(zhuǎn)換相對(duì)坐標(biāo)對(duì)單足機(jī)器人落地碰撞和起跳沖擊的影響規(guī)律進(jìn)行仿真研究，尋找上述參數(shù)使機(jī)器人落地碰撞和起跳沖擊更小的可用區(qū)間和較佳區(qū)間，為實(shí)現(xiàn)單足機(jī)器人連續(xù)穩(wěn)定的垂直跳躍奠定理論基礎(chǔ)。
　　搭建由DSP控制系統(tǒng)、多傳感器檢測(cè)系統(tǒng)、氣動(dòng)位置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單足機(jī)器人機(jī)械本體組成的單足

6、機(jī)器人垂直跳躍實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)機(jī)器人騰空相彈跳腿氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)的定位精度和動(dòng)態(tài)特性、單足機(jī)器人垂直跳躍的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究機(jī)器人落地時(shí)刻氣缸下腔預(yù)設(shè)氣壓和活塞預(yù)設(shè)相對(duì)坐標(biāo)、氣缸充排氣起始時(shí)刻和時(shí)間、比例閥節(jié)流口有效面積對(duì)單足機(jī)器人跳躍高度的影響規(guī)律；實(shí)驗(yàn)研究落地時(shí)刻氣缸下腔預(yù)設(shè)氣壓和活塞預(yù)設(shè)相對(duì)坐標(biāo)、氣缸上下腔充排氣時(shí)間對(duì)機(jī)器人落地碰撞和起跳沖擊的影響規(guī)律。通過與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證本文所建立的單足機(jī)器人騰空相氣動(dòng)位置伺服