仿蝗蟲彈跳機器人運動機理與控制方法研究.pdf

1、彈跳運動的地面非連續(xù)接觸性、高動態(tài)性和超強越障能力使得彈跳機器人具有強人的運動能力，適用于星球探索、災后搜救、軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測等非結構化環(huán)境場合。自然界具有彈跳能力的動物和昆蟲是研究彈跳運動的活體標本，仿生彈跳機器人研究具有重要的學術意義和實用價值。本文以蝗蟲為仿生對象，在研究其運動機理的基礎上，進行建模、仿真、參數(shù)優(yōu)化、機構設計、感知和控制方法研究，實現(xiàn)具有類似蝗蟲運動功能的彈跳機器人。
　　在研究蝗蟲的身體結構和材質組成，爬

2、行運動、彈跳運動、主動式自復位、起跳方向和角度調節(jié)，以及爬行彈跳復合運動機理的基礎上，總結出蝗蟲的運動功能對彈跳機器人設計的啟發(fā):
　　(1)彈跳運動需要實現(xiàn)具體急回特性的機構用于儲能和快速釋放;
　　(2)主動式自復位是連續(xù)彈跳運動的必要條件;
　　(3)起跳方向調節(jié)使彈跳機器人的運動具有方向性;
　　(4)起跳角度調節(jié)使彈跳機器入彈跳高度和距離具有可控性;
　　(5)復合式運動功能使彈跳機器人既有高機動

3、性也有精確運動功能。
　　在對蝗蟲的運動機理研究的基礎上，從功能仿生的角度設計和實現(xiàn)了兩代仿蝗蟲彈跳機器人。
　　本文的主要工作包括:
　　(1)第一代仿蝗蟲彈跳機器人著重研究彈跳運動、主動式自復位、起跳方向和起跳角度調節(jié)的實現(xiàn)方法，從而實現(xiàn)了連續(xù)彈跳運動。
　　建立了彈跳運動模型，提出了折疊式和展開式主動式自復位方法，設計了離散式和連續(xù)式起跳方向調節(jié)方法，提出了通過調節(jié)機器人重心和結構參數(shù)實現(xiàn)起跳角度調節(jié)的方法

4、，從而實現(xiàn)了一種具有連續(xù)彈跳運動功能的彈跳機器人。對運動學和動力學建模和仿真基礎上，研究了結構參數(shù)對彈跳運動性能的影響，從而實現(xiàn)了機器人機構參數(shù)優(yōu)化;設計了一種具有急回特性的偏心凸輪機構實現(xiàn)了彈性勢能的存儲和快速釋放功能;設計了一種桿腿機構在單個電機的驅動下，同時實現(xiàn)了自復位、起跳方向和角度調節(jié)功能。
　　(2)為了解決第一代仿蝗蟲彈跳機器人不能實現(xiàn)精確運動的問題，第二代仿蝗蟲彈跳機器人研究爬行運動和彈跳運動的復合式運動功能。

5、r>　　建立了爬行運動和彈跳運動模型，進行了仿真和參數(shù)優(yōu)化研究。設計了一種圓柱凸輪機構完成彈性勢能的存儲和快速釋放，實現(xiàn)了彈跳運動功能;設計了一種柔性關節(jié)用于爬行機構，可有效減緩機器人足部與地面的碰撞;設計了一種單個電機驅動機構配合兩個單向軸承實現(xiàn)彈跳運動和爬行運動的分時驅動，提高了電機利用率，減輕了機器人的總體質量。
　　(3)提出了一種基于狀態(tài)事件的仿蝗蟲彈跳機器人自主運動控制方法。
　　將機器人的運動周期劃分為各種狀態(tài)

6、事件，通過感知系統(tǒng)提取各種狀態(tài)事件對應的信息作為機器人自主控制的基礎，機器人在不同的狀態(tài)之間的運動轉換，從而實現(xiàn)自主運動控制。該方法依靠三軸加速度傳感器等簡單的傳感器系統(tǒng)對機器人姿態(tài)信息進行檢測，即可以實現(xiàn)機器人的自豐運動控制。
　　(4)提出了群體決策和領導繼承的多彈跳機器人協(xié)作控制方法。
　　針對多個微型彈跳機器人的實際應用場景，提出了群體決策方法進行多彈跳機器人協(xié)作控制，實現(xiàn)了多個微小型彈跳機器人面對復雜環(huán)境時的共同決

7、策控制，提高了多彈跳機器人系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性;提出領導繼承的方法解決了多彈跳機器人混合式控制結構中領導者出現(xiàn)故障的問題，保證多彈跳機器人系統(tǒng)的正常運行。
　　(5)最后對兩代彈跳機器人進行了實驗研究，結果如下。
　　第一代彈跳機器人在起跳角度為80.8°時獲得最大彈跳高度為100cm，水平運動距離為65cm，可以完成狀態(tài)轉換自主控制，實現(xiàn)任意姿態(tài)的主動式自復位，起跳方向和起跳角度調節(jié)功能，攀爬樓梯運動實驗驗證了該機器人