气动肌肉驱动仿青蛙游动机器人结构设计及其控制系统研究

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1、硕士学位论文气动肌肉驱动仿青蛙游动机器人结构设计及其控制系统研究RESEARCHONDESIGNANDCONTROLSYSTEMOFFROG-INSPIREDSWIMMINGROBOTACTUATEDBYPENUMATICMUSCLES袁博文哈尔滨工业大学2018年6月-国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工程硕士学位论文气动肌肉驱动仿青蛙游动机器人结构设计及其控制系统研究硕士研究生：袁博文导师：樊继壮副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业

2、大学-ClassifiedIndex:TP242U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONDESIGNANDCONTROLSYSTEMOFFROG-INSPIREDSWIMMINGROBOTACTUATEDBYPENUMATICMUSCLESCandidate：YuanBowenSupervisor：AssociateProf.FanJizhuangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Mechanic

3、alEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要近年来，陆地资源逐渐枯竭。探索海洋湖泊将其安全合理的开发并造福于人类，成为世界各国关注的焦点。随之而来，产生了诸如深海资源勘探，海洋湖泊监控警报，水中生物研究与抢险救灾反恐爆破等科学研究和军事安全的需求。受益于这样的需求，仿生潜水机器人相关研究得到了快速的

4、发展。青蛙为一种两栖动物，兼具水中游动和陆地跳动两种运动方式。模仿青蛙强大爆发性的后肢研制仿青蛙机器人，和现有的传统水下机器人相比，能够拥有更快的速度、爆发性以及灵活性。本文通过完成仿青蛙游动机器人的结构设计与控制系统研究，探究区别于鱼鳍摆动，水翼拍动和反冲式推进方式不同的脚蹼滑动推进方式，并解决水下机器人的关节位置伺服控制问题，为设计出一种具有青蛙两栖特性的仿生水下机器人奠定基础。首先，分析野生黑斑蛙的肌肉和骨骼结构，结合其游动姿态，抽象出仿青蛙机器人的后肢模型，对简化后的机构模型进行仿真和优化，得出最优的关节尺寸，安装角度。为了更好地模仿生物青蛙的游动姿

5、态，针对青蛙后肢多自由度的性质，依据上述参数，设计五自由度仿青蛙机器人后肢，包含髋关节姿态调整机构，模块化仿青蛙机器人后肢和被动力检测脚蹼。设计集成在仿青蛙机器人躯干内的供气系统和硬件控制系统；设计仿青蛙机器人防水主壳体结构用于容纳高速开关阀阀岛，电池以及硬件电路；并对腿部进行密封设计，使得在水中游动时，腿部不会漏水，保证机器人能够持续游动。其次，在完成结构设计后，进行关节状态空间模型建立，针对气动肌肉分别进行实验测定外界负载、气动肌肉气压、气动肌肉收缩率对气动肌肉输出力的影响，基于实验数据和理论分析修正Tondu的气动肌肉数学模型。分析高速开关阀的输出特性

6、，气动肌肉充放气能量方程以及关节动力学方程，建立了系统的单输入三阶仿射非线性数学模型，将输入的脉宽调制（PWM）信号和关节输出角度建立联系。利用MATLAB的S函数进行仿真分析，通过不同的输入值，获得相应的静态和动态响应输出；分析气动肌肉摩擦力，气源压力和弹簧刚度这3个主要因素对仿真模型的影响。第三，为了解决非线性系统的精确位置伺服控制问题，基于上述建立的三阶仿射非线性数学模型，针对被控系统的参数变化未建模特性以及气路的非线性，合理简化状态方程，设计等效滑模控制律，使得控制器可以通过关节反馈的角度和气动肌肉实际气压，实时解算出当前控制气动肌肉充放气量的高速开

7、关阀的脉宽调制（PWM）信号，最终建立期望角度为输入，实际关节角度为输-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文出的数学关系，利用李雅普诺夫稳定性判据证明其稳定性。通过MATLAB分别设置输入为动态或静态信号检测控制效果，并基于单片机设计数字式滑模变结构控制策略。接下来进行仿青蛙机器人轨迹规划研究，基于野生黑斑蛙的游动轨迹对机器人各个阶段进行轨迹规划。利用黑斑蛙的运动数据，针对最重要的伸展阶段，进行加速度规划，得到后肢末端在三维空间内的轨迹，通过运动学关系求解各关节实际的运动角度。依据关节运动角度结合实际的舵机运动速度和气动肌肉响应速度，优化最终的仿青蛙机器人运动

8、轨迹。最后，进行仿青蛙机器人整机装配调试，基于Ard