仿袋鼠机器人的研制及其起跳运动分析

发布时间：2017-12-11 06:16

  本文关键词：仿袋鼠机器人的研制及其起跳运动分析

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【摘要】：随着科学技术的发展,机器人在人类生活领域中扮演着越来越重要的角色,同时机器人所需适应的环境也更加复杂,尤其在考古探测、星际探索、军事侦察以及反恐等活动中对机器人的仿生性及越障能力有了更高的要求。本文设计了一种仿袋鼠机器人系统,并分析了其起跳阶段的运动,验证了机器人系统的合理性。本文具体工作内容如下:(1)仿袋鼠机器人机械系统设计通过分析袋鼠跳跃运动机理及其结构特征,仿照袋鼠外形,设计了仿袋鼠机器人机械系统。首先,在多种弹跳方案的对比分析下,该机构采用了电机加多连杆弹簧机构的驱动模式。其次,将袋鼠的机械结构分为弹跳机构、传动机构及平衡机构,并且对各个机构进行了详细设计,其中将弹跳机构设计为两平行四边形机构和弧形脚组成的多连杆结构,不仅减少了主动关节个数同时弧形脚掌为机器人起跳角度可调提供了条件;对传动机构的设计采取了结构紧凑的五级减速齿轮组和独立的离合器释放机构,可以实现1:168.75的减速比及能量释放点的可控;平衡机构的采用尾巴转动实现对机器人姿态平衡控制。(2)仿袋鼠机器人电控系统设计结合经过机器人的运动规律及功能需求分析得到的机器人的运动控制流程,给出了机器人控制系统设计要求,根据控制系统设计要求设计了机器人电控系统,并且按照实际情况选择合适的器件完成了电气系统设计。电控系统包括主控子系统,感知子系统,执行子系统,电源子系统及上位机子系统,系统可以实现对机器人的姿态、关节角、跳高度等信息的采集处理、机器人蓄能、释能和平衡机构的驱动控制以及与上位机系统的通信功能。(3)机器人起跳运动分析根据仿袋鼠机器人的机械机构及运动特性,建立了机器人起跳阶段的运动学动力学模型,且分别通过数学模型的计算及虚拟仿真技术对机器人起跳阶段进行了运动仿真分析,验证了机械设计的合理性。首先,通过机械结构特点建立了机器人起跳阶段的运动学动力学模型,经过运动学建模分析及仿真得到了机器人质心位移及速度在起跳阶段的变化规律、机器人的能量转换效率及不同起跳角度下的跳高跳远度,同时经过动力学分析及仿真得到了机器人起跳阶段所受地面支撑力的变化,通过仿真可以得到,机器人起跳过程中垂直方向的位移和速度比水平方向都更大,在起跳过程中有着较大的能量转换效率,符合袋鼠起跳阶段跳跃运动规律,同时得到了机器人起跳力属于非线性变化力,先增大后减小,有效的避免了机器人的提前起跳,使得机构具有良好的仿生跳跃特性及较高的能量利用率。其次,对机器人起跳阶段进行了基于虚拟样机的仿真实验,由于起跳阶段主要是腿部运动,所以在Solidworks中简化了机器人的机构模型,保留了腿部部分,并将腿部模型导入到ADAMS中进行了运动仿真分析,由分析结果可以看出,虽然受到机器人脚掌与地面转动副的影响,机器人在起跳阶段的运动趋势与袋鼠运动趋势仍然相一致。两种运动分析方式都验证了机构设计的合理性。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

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