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

1、跳躍機(jī)器人可以廣泛地應(yīng)用于考古、星際探測(cè)、反恐和資源勘探等領(lǐng)域。相對(duì)于輪式和行走式機(jī)器人，跳躍式機(jī)器人的特點(diǎn)是利用跳躍運(yùn)動(dòng)前進(jìn)，具有移動(dòng)速度快、越障能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但是跳躍機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(jī)器人的動(dòng)力學(xué)過(guò)程存在著連續(xù)狀態(tài)和碰撞離散狀態(tài)相混雜的特點(diǎn)，具有高度的非線性。另外在給定特定任務(wù)的情況下，如何合理規(guī)劃任務(wù)空間和關(guān)節(jié)空間的軌跡，也是一個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的跳躍機(jī)器人多采用“電機(jī)+彈簧”的方

2、式為跳躍運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，這種傳動(dòng)方式采用齒輪、棘輪等復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，容易出現(xiàn)卡死等故障，本文針對(duì)這種不足，采用氣動(dòng)人工肌肉作為動(dòng)力裝置，利用氣動(dòng)肌肉的輸出力大、傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行跳躍機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。但是氣動(dòng)肌肉具有高度的非線性，力-位移存在滯環(huán)特性，力學(xué)模型的建立是一個(gè)難點(diǎn)。由于力學(xué)模型非線性和氣體可壓縮性特點(diǎn)，精確的位置控制方法的研究也是一個(gè)難點(diǎn)。
　　本文在課題組對(duì)青蛙的生理結(jié)構(gòu)和跳躍特點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，以氣動(dòng)

3、肌肉作為驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)建仿青蛙跳躍機(jī)器人本體，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性、氣動(dòng)肌肉的力學(xué)模型、實(shí)現(xiàn)規(guī)則地形下的特定跳躍任務(wù)時(shí)的軌跡規(guī)劃、氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)控制策略和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器等問(wèn)題進(jìn)行研究。
　　本文首先簡(jiǎn)要分析青蛙的生理結(jié)構(gòu)和跳躍運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立青蛙跳躍運(yùn)動(dòng)等效六桿模型，在ADAMS中對(duì)六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化仿真，為機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考；對(duì)機(jī)器人的后肢進(jìn)行設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)出前肢和整機(jī)；根據(jù)機(jī)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(jī)器人跳躍過(guò)程的欠驅(qū)動(dòng)特性，將跳躍過(guò)程劃分為不同的子相，建立統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；對(duì)跳躍過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，基于拉格朗日方程分別建立連續(xù)動(dòng)力學(xué)方程和碰撞離散相動(dòng)力學(xué)方程，并分析不同子相運(yùn)動(dòng)狀態(tài)切換的條件。氣動(dòng)人工肌肉的力學(xué)特性是機(jī)器人設(shè)計(jì)和控制的基礎(chǔ)，因此對(duì)氣動(dòng)人工肌肉的力學(xué)特性進(jìn)行研究。采用機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模兩種手段對(duì)氣動(dòng)肌肉的力學(xué)行為進(jìn)行建模。機(jī)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(shí)際控制的需要，利用實(shí)驗(yàn)手段了建立現(xiàn)象模型；對(duì)于PAM內(nèi)部復(fù)雜的充氣和排氣過(guò)程，利用實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)度為任務(wù)目標(biāo)，研究軌跡規(guī)劃問(wèn)題。對(duì)欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的求解問(wèn)題進(jìn)行深入分析。以地面對(duì)機(jī)器人反作用力最大值最小為目標(biāo)，對(duì)任務(wù)空間的軌跡進(jìn)行優(yōu)化；在任務(wù)空間軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上，以消耗的主動(dòng)力矩最小為目標(biāo)，對(duì)關(guān)節(jié)空間進(jìn)行軌跡優(yōu)化，并進(jìn)行仿真。
　　設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制

6、器。對(duì)氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的位置控制策略進(jìn)行研究，構(gòu)建單自由度的氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型和所建立的氣動(dòng)肌肉實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，進(jìn)行P I D串級(jí)位置控制方法和RBFNN-PID串級(jí)位置控制方法的研究?；跉鈩?dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的位置控制策略，建立機(jī)器人的控制器，使用RBFNN-PID串級(jí)控制方法對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)分別進(jìn)行控制，并進(jìn)行matlab/adams聯(lián)合仿真。
　　設(shè)計(jì)了機(jī)器人的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行位姿調(diào)整和跳躍運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究。