基于青蛙骨骼结构模型的跳跃机器人研究

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1、硕士学位论文基于青蛙骨骼结构模型的跳跃机器人研究RESEARCHONJUMPINGROBOTBASEDONSKELETALSTRUCTUREOFTHEFROG范志海哈尔滨工业大学2016年7月-国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文基于青蛙骨骼结构模型的跳跃机器人研究硕士研究生：范志海导师：樊继壮副教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学-ClassifiedIndex:

2、TP242U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONJUMPINGROBOTBASEDONSKELETALSTRUCTUREOFTHEFROGCandidate：FanZhihaiSupervisor：AssociateProf.FanJizhuangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliati

3、on：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要跳跃机器人研究是机器人领域的一个较前沿的课题，跳跃机器人被广泛应用于星际探测、军事反恐及资源勘探等领域。相较于行走机器人或轮式机器人，跳跃机器人具有能适应不同地表，跨越障碍及沟壑的特点，所以研究跳跃机器人具有重要意义。由于青蛙跳跃运动具有爆发性强和

4、跳跃距离远的特点，所以本文以生物青蛙为仿生研究对象，基于实验室前几代仿青蛙跳跃机器人的研究成果，进行仿青蛙跳跃机器人技术的研究。首先分析生物青蛙的肌骨骼结构特性及其跳跃运动机理，建立能够完整描述青蛙生物运动特点的关节骨骼结构模型，在此基础上根据影响青蛙跳跃运动的不同因素，将青蛙复杂的生物关节结构简化为4种不同的跳跃结构模型。借助ADAMS仿真软件，对4种模型的跳跃地面反作用力，质心的速度和位移，关节作用转矩等多种运动特性分别进行分析和对比，确定综合指标最优的结构模型，为仿青蛙跳跃机器人原理样机的设计提供理论

5、基础。其次，基于最优结构模型，进行仿青蛙跳跃机器人的原理样机结构设计。机器人的前肢由肩关节和肘关节组成，采用舵机驱动，主要起到起跳姿态调整支撑和落地缓冲的作用；后肢主要包括髋关节、膝关节、踝关节、跗跖关节和脚掌，各个关节采用气动肌肉作为驱动单元，具有较高的功率密度。气动肌肉采用高速开关阀进行控制，有效地降低了机器人的重量。整个机器人的重量分布主要集中在后肢和躯干上，有利于提高能量的转化效率。第三、采用D-H法对机器人原理样机的跳跃过程进行运动学分析，分别建立机器人起跳阶段和腾空阶段的运动学方程，得到机器人前

6、后肢正运动学与逆运动学的解析解。基于得到的运动学解析解，借助MATLAB软件分析机器人腾空阶段四肢末端工作空间。最后，搭建实验平台，进行机器人原理样机的起跳姿态调整和整机跳跃运动实验研究。将实验过程与理论分析过程中的相关数据信息进行分析和对比，验证论文在青蛙骨骼结构简化建模、原理样机设计以及理论分析的正确性和合理性。关键词：生物骨骼模型；仿青蛙机器人；气动肌肉；运动学-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTheresearchonbiomimeticjumpingrobotisaforward

7、positionaltaskinrobotfield,jumpingrobotscanbewidelyappliedininterstellarprobe,antiterrorismandresourceexploration.Comparedtowalkingrobotsandwheeledrobots,jumpingrobotsownexcellentfeatureabilityonadjusttodifferentgroundandgettingacrosscannelandobstacle.Ther

8、efore,itisveryimportantfortheresearchofjumpingrobots.Becausefrog’sjumpingmovementhasthecharacteristicofstrongburstandlongdistance,thispaperselectsfrogasstudytargettodoresearchonfrog-likejumpingrobot.Firstly,t