氣動肌肉驅動的仿青蛙跳躍機器人及其關鍵技術的研究.pdf

1、跳躍機器人可以廣泛地應用于考古、星際探測、反恐和資源勘探等領域。相對于輪式和行走式機器人，跳躍式機器人的特點是利用跳躍運動前進，具有移動速度快、越障能力強的特點。但是跳躍機器人的運動過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，使得機器人的動力學過程存在著連續(xù)狀態(tài)和碰撞離散狀態(tài)相混雜的特點，具有高度的非線性。另外在給定特定任務的情況下，如何合理規(guī)劃任務空間和關節(jié)空間的軌跡，也是一個難點。傳統(tǒng)的跳躍機器人多采用“電機+彈簧”的方

2、式為跳躍運動提供動力，這種傳動方式采用齒輪、棘輪等復雜的傳動機構，容易出現卡死等故障，本文針對這種不足，采用氣動人工肌肉作為動力裝置，利用氣動肌肉的輸出力大、傳動裝置簡單的優(yōu)點，進行跳躍機器人的機構設計。但是氣動肌肉具有高度的非線性，力-位移存在滯環(huán)特性，力學模型的建立是一個難點。由于力學模型非線性和氣體可壓縮性特點，精確的位置控制方法的研究也是一個難點。
　　本文在課題組對青蛙的生理結構和跳躍特點已經進行深入研究的基礎上，以氣動

3、肌肉作為驅動器，構建仿青蛙跳躍機器人本體，對機器人的運動學和動力學特性、氣動肌肉的力學模型、實現規(guī)則地形下的特定跳躍任務時的軌跡規(guī)劃、氣動肌肉驅動關節(jié)控制策略和機器人運動控制器等問題進行研究。
　　本文首先簡要分析青蛙的生理結構和跳躍運動特點，建立青蛙跳躍運動等效六桿模型，在ADAMS中對六桿機構進行優(yōu)化仿真，為機器人機構設計提供參考；對機器人的后肢進行設計，并設計出前肢和整機；根據機器人的狀態(tài)信息采集的需要，選用相關傳感器。

4、r>　　分析機器人跳躍過程的欠驅動特性，將跳躍過程劃分為不同的子相，建立統(tǒng)一的運動學模型；對跳躍過程的動力學特性進行分析，基于拉格朗日方程分別建立連續(xù)動力學方程和碰撞離散相動力學方程，并分析不同子相運動狀態(tài)切換的條件。氣動人工肌肉的力學特性是機器人設計和控制的基礎，因此對氣動人工肌肉的力學特性進行研究。采用機理建模和實驗建模兩種手段對氣動肌肉的力學行為進行建模。機理模型以Chou理想模型為基礎，考慮橡膠壁彈性、纖維網彈性和內部摩擦等因素

5、的影響；為了實際控制的需要，利用實驗手段了建立現象模型；對于PAM內部復雜的充氣和排氣過程，利用實驗數據建立了排氣階段和充氣階段的現象模型。
　　以規(guī)則地形下的給定跳躍高度和遠度為任務目標，研究軌跡規(guī)劃問題。對欠驅動關節(jié)的求解問題進行深入分析。以地面對機器人反作用力最大值最小為目標，對任務空間的軌跡進行優(yōu)化；在任務空間軌跡規(guī)劃的基礎上，以消耗的主動力矩最小為目標，對關節(jié)空間進行軌跡優(yōu)化，并進行仿真。
　　設計機器人的運動控制

6、器。對氣動肌肉驅動關節(jié)的位置控制策略進行研究，構建單自由度的氣動肌肉驅動關節(jié)實驗平臺，以實驗平臺動力學模型和所建立的氣動肌肉實驗模型為基礎，進行P I D串級位置控制方法和RBFNN-PID串級位置控制方法的研究。基于氣動肌肉驅動關節(jié)的位置控制策略，建立機器人的控制器，使用RBFNN-PID串級控制方法對各個關節(jié)分別進行控制，并進行matlab/adams聯合仿真。
　　設計了機器人的控制系統(tǒng)，并進行位姿調整和跳躍運動的實驗研究。