基于燃爆驱动的仿蛙软体跳跃机器人研究
发布时间：2021-01-22 20:35
跳跃机器人凭借优秀的越障能力具有在复杂地形工作的潜力,有着广阔的应用前景。跳跃运动是青蛙在陆地上典型运动形式之一,分析青蛙跳跃机理并研制仿蛙跳跃机器人具有重要意义。目前多数仿蛙跳跃机器人采用电机或气动肌肉直驱跳跃或为跳跃运动储能,这导致了机器人结构复杂且重量大,难以实现贴近青蛙外形尺寸且能够灵活跳跃的设计。本文将能量密度高且爆发力大的燃爆驱动与高柔性且质量轻的软体致动器结合,设计了小型化且可以实现定向跳跃的仿蛙机器人。本文首先对机器人进行了结构设计,包括应用于机器人前肢的气动软体转动关节、燃爆驱动软体致动器和应用于后肢的刚性四连杆结构。气动软体转动关节模仿青蛙前肢,起到调节机器人起跳角度和落地缓冲的作用,利用Yeoh本构模型和虚功原理的思想建立了其旋转角度与驱动气压关系的数学模型。燃爆驱动软体致动器作为机器人的“肌肉”是其实现跳跃运动的能量供应单元,它通过在燃爆驱动时的膨胀推动后肢四连杆机构伸展,将燃爆驱动力传递到地面。使用MATLAB对四连杆机构的尺寸参数进行了优化,使后肢末端即机器人足部的运动轨迹近似直线。利用3D打印技术和浇注成型方式研制了软体致动器。为了实现燃爆驱动的稳定可控,...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
天体探索跳跃机器人2007年，日本东京大学的RyumaNi
，故一次完整的跳跃过程可分为四个阶段：起跳、腾空、落地和调整。1.2.1国外研究现状早在2000年，NASA就与加州理工大学合作研发了类似青蛙跳跃方式的用于天体探索的跳跃机器人，通过单一驱动器可以实现垂直跳跃，转向并规划机载摄像头行为，如图1-1。弹跳执行部分为弹簧连杆机构，采用六杆齿轮机构拉伸弹簧进行储能，通过瞬间释放实现存储在弹簧中的弹性势能实现跳跃动作，效率可达到70%。在火星环境下单次跳跃距离可达7.3米，高度可达2.7米，且在落地后可以自动调整姿态，以实现连续跳跃[15]。图1-1天体探索跳跃机器人图1-2仿蛙跳跃机器人Mowgli2007年，日本东京大学的RyumaNiiyama等人采用气动肌肉的驱动方式，根据青蛙骨骼特征研制了一款仿蛙双足多关节跳跃机器人Mowgli，如图1-2所示。每条后肢具有3个自由度，其中髋关节、膝关节和踝关节，均各有1个自由度。气
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-动肌肉收缩带动后肢伸展，驱动机器人跳跃，腿部收缩依靠弹簧实现。为了减少仿蛙机器人重量，其骨架多为碳纤维增强材料和尼龙等聚合物材料，机器人重3kg，垂直跳跃可达0.26m[16]。2002年，宾夕法尼亚大学WilliamJ.Kargo等人通过对青蛙解剖，深入分析研究了青蛙骨骼结构，该研究对指导仿蛙机器人的设计有重要意义。该团队分析了青蛙起跳时后肢各关节位移与时间的关系曲线和相应关节的力矩与时间关系曲线。将青蛙各骨骼置于水平面内，并对各段骨骼建立局部坐标系，并探究了各关节运动范围，并建立了简化的青蛙骨骼模型，如图1-3所示[17]。图1-3青蛙骨骼结构模型1.2.2国内研究现状2008年，北方工业大学的李涛分析了青蛙的跳跃运动机制，设计了仿青蛙跳跃机器人系统，如图1-4，采用弹簧-拨杆的结构，使用电动机拉伸弹簧进行储能，并进行了机构运动学分析和运动仿真[18]。图1-4北方工业大学仿青蛙跳跃机器人实物图哈尔滨工业大学的王猛等人与2009年研发了一款仿青蛙跳跃机器人，如图1-5所示。为分析青蛙跳跃特点，搭建了青蛙运动轨迹提取平台，利用高速相机记录青蛙的跳跃运动，并据此进行青蛙运动轨迹的提龋根据实验结果，设计了仿青蛙机器人的后肢，将其简化为一个自由度，使用弹簧代替肌肉作为储能元件，并使用电动机拉动绳索来使弹簧拉伸储能。对机器人进行了运动学和动力学分析，并使用遗
【参考文献】：
期刊论文
[1]软体弯曲驱动器设计与建模[J]. 王华,康荣杰,王兴坚,戴建生. 北京航空航天大学学报. 2017(05)
[2]燃爆直线型弹跳驱动器分析与试验[J]. 栾云广,王化明,赵东标,王振,张克通. 机器人. 2015(04)
[3]仿生机器人研究现状与发展趋势[J]. 王国彪,陈殿生,陈科位,张自强. 机械工程学报. 2015(13)
[4]跳跃机器人研究现状和趋势[J]. 魏敦文,葛文杰. 机器人. 2014(04)
[5]过氧碳酸钠的应用[J]. 魏一帆,芦鸿武,张敏敏,连培祥,韩晓冰. 日用化学品科学. 2013(08)
[6]过碳酸钠的应用及生产技术进展[J]. 崔小明,李明. 化工科技市场. 2010(07)
[7]基于Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超弹性橡胶材料有限元分析[J]. 黄建龙,解广娟,刘正伟. 橡胶工业. 2008(08)
[8]仿生学的现状和未来[J]. 孙久荣,戴振东. 生物物理学报. 2007(02)
[9]过碳酸钠热分解动力学理论分析与实验验证[J]. 王鸿显,赵红坤. 南通大学学报(自然科学版). 2006(01)
博士论文
[1]仿青蛙跳跃机器人的研制[D]. 王猛.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于燃爆驱动的仿蛙软体跳跃机器人关键技术研究[D]. 闫旭.哈尔滨工业大学 2019
[2]α-AlH3的合成及放氢性能的研究[D]. 李玉玲.哈尔滨工业大学 2018
[3]仿青蛙游动机器人软体致动器设计及其应用研究[D]. 于庆国.哈尔滨工业大学 2018
[4]基于青蛙骨骼结构模型的跳跃机器人研究[D]. 范志海.哈尔滨工业大学 2016
[5]仿青蛙跳跃机器人稳定跳跃的研究[D]. 朱翔宇.哈尔滨工业大学 2011
[6]一种仿青蛙跳跃机器人机构设计与运动学分析[D]. 李涛.北方工业大学 2009
本文编号：2993871
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
天体探索跳跃机器人2007年，日本东京大学的RyumaNi
，故一次完整的跳跃过程可分为四个阶段：起跳、腾空、落地和调整。1.2.1国外研究现状早在2000年，NASA就与加州理工大学合作研发了类似青蛙跳跃方式的用于天体探索的跳跃机器人，通过单一驱动器可以实现垂直跳跃，转向并规划机载摄像头行为，如图1-1。弹跳执行部分为弹簧连杆机构，采用六杆齿轮机构拉伸弹簧进行储能，通过瞬间释放实现存储在弹簧中的弹性势能实现跳跃动作，效率可达到70%。在火星环境下单次跳跃距离可达7.3米，高度可达2.7米，且在落地后可以自动调整姿态，以实现连续跳跃[15]。图1-1天体探索跳跃机器人图1-2仿蛙跳跃机器人Mowgli2007年，日本东京大学的RyumaNiiyama等人采用气动肌肉的驱动方式，根据青蛙骨骼特征研制了一款仿蛙双足多关节跳跃机器人Mowgli，如图1-2所示。每条后肢具有3个自由度，其中髋关节、膝关节和踝关节，均各有1个自由度。气
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-动肌肉收缩带动后肢伸展，驱动机器人跳跃，腿部收缩依靠弹簧实现。为了减少仿蛙机器人重量，其骨架多为碳纤维增强材料和尼龙等聚合物材料，机器人重3kg，垂直跳跃可达0.26m[16]。2002年，宾夕法尼亚大学WilliamJ.Kargo等人通过对青蛙解剖，深入分析研究了青蛙骨骼结构，该研究对指导仿蛙机器人的设计有重要意义。该团队分析了青蛙起跳时后肢各关节位移与时间的关系曲线和相应关节的力矩与时间关系曲线。将青蛙各骨骼置于水平面内，并对各段骨骼建立局部坐标系，并探究了各关节运动范围，并建立了简化的青蛙骨骼模型，如图1-3所示[17]。图1-3青蛙骨骼结构模型1.2.2国内研究现状2008年，北方工业大学的李涛分析了青蛙的跳跃运动机制，设计了仿青蛙跳跃机器人系统，如图1-4，采用弹簧-拨杆的结构，使用电动机拉伸弹簧进行储能，并进行了机构运动学分析和运动仿真[18]。图1-4北方工业大学仿青蛙跳跃机器人实物图哈尔滨工业大学的王猛等人与2009年研发了一款仿青蛙跳跃机器人，如图1-5所示。为分析青蛙跳跃特点，搭建了青蛙运动轨迹提取平台，利用高速相机记录青蛙的跳跃运动，并据此进行青蛙运动轨迹的提龋根据实验结果，设计了仿青蛙机器人的后肢，将其简化为一个自由度，使用弹簧代替肌肉作为储能元件，并使用电动机拉动绳索来使弹簧拉伸储能。对机器人进行了运动学和动力学分析，并使用遗
【参考文献】：
期刊论文
[1]软体弯曲驱动器设计与建模[J]. 王华,康荣杰,王兴坚,戴建生. 北京航空航天大学学报. 2017(05)
[2]燃爆直线型弹跳驱动器分析与试验[J]. 栾云广,王化明,赵东标,王振,张克通. 机器人. 2015(04)
[3]仿生机器人研究现状与发展趋势[J]. 王国彪,陈殿生,陈科位,张自强. 机械工程学报. 2015(13)
[4]跳跃机器人研究现状和趋势[J]. 魏敦文,葛文杰. 机器人. 2014(04)
[5]过氧碳酸钠的应用[J]. 魏一帆,芦鸿武,张敏敏,连培祥,韩晓冰. 日用化学品科学. 2013(08)
[6]过碳酸钠的应用及生产技术进展[J]. 崔小明,李明. 化工科技市场. 2010(07)
[7]基于Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超弹性橡胶材料有限元分析[J]. 黄建龙,解广娟,刘正伟. 橡胶工业. 2008(08)
[8]仿生学的现状和未来[J]. 孙久荣,戴振东. 生物物理学报. 2007(02)
[9]过碳酸钠热分解动力学理论分析与实验验证[J]. 王鸿显,赵红坤. 南通大学学报(自然科学版). 2006(01)
博士论文
[1]仿青蛙跳跃机器人的研制[D]. 王猛.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于燃爆驱动的仿蛙软体跳跃机器人关键技术研究[D]. 闫旭.哈尔滨工业大学 2019
[2]α-AlH3的合成及放氢性能的研究[D]. 李玉玲.哈尔滨工业大学 2018
[3]仿青蛙游动机器人软体致动器设计及其应用研究[D]. 于庆国.哈尔滨工业大学 2018
[4]基于青蛙骨骼结构模型的跳跃机器人研究[D]. 范志海.哈尔滨工业大学 2016
[5]仿青蛙跳跃机器人稳定跳跃的研究[D]. 朱翔宇.哈尔滨工业大学 2011
[6]一种仿青蛙跳跃机器人机构设计与运动学分析[D]. 李涛.北方工业大学 2009
本文编号：2993871
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