本文關(guān)鍵詞：仿袋鼠機(jī)器人的研制及其起跳運動分析

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【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人在人類生活領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色,同時機(jī)器人所需適應(yīng)的環(huán)境也更加復(fù)雜,尤其在考古探測、星際探索、軍事偵察以及反恐等活動中對機(jī)器人的仿生性及越障能力有了更高的要求。本文設(shè)計了一種仿袋鼠機(jī)器人系統(tǒng),并分析了其起跳階段的運動,驗證了機(jī)器人系統(tǒng)的合理性。本文具體工作內(nèi)容如下:(1)仿袋鼠機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計通過分析袋鼠跳躍運動機(jī)理及其結(jié)構(gòu)特征,仿照袋鼠外形,設(shè)計了仿袋鼠機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)。首先,在多種彈跳方案的對比分析下,該機(jī)構(gòu)采用了電機(jī)加多連桿彈簧機(jī)構(gòu)的驅(qū)動模式。其次,將袋鼠的機(jī)械結(jié)構(gòu)分為彈跳機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)及平衡機(jī)構(gòu),并且對各個機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計,其中將彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計為兩平行四邊形機(jī)構(gòu)和弧形腳組成的多連桿結(jié)構(gòu),不僅減少了主動關(guān)節(jié)個數(shù)同時弧形腳掌為機(jī)器人起跳角度可調(diào)提供了條件;對傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計采取了結(jié)構(gòu)緊湊的五級減速齒輪組和獨立的離合器釋放機(jī)構(gòu),可以實現(xiàn)1:168.75的減速比及能量釋放點的可控;平衡機(jī)構(gòu)的采用尾巴轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對機(jī)器人姿態(tài)平衡控制。(2)仿袋鼠機(jī)器人電控系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合經(jīng)過機(jī)器人的運動規(guī)律及功能需求分析得到的機(jī)器人的運動控制流程,給出了機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計要求,根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求設(shè)計了機(jī)器人電控系統(tǒng),并且按照實際情況選擇合適的器件完成了電氣系統(tǒng)設(shè)計。電控系統(tǒng)包括主控子系統(tǒng),感知子系統(tǒng),執(zhí)行子系統(tǒng),電源子系統(tǒng)及上位機(jī)子系統(tǒng),系統(tǒng)可以實現(xiàn)對機(jī)器人的姿態(tài)、關(guān)節(jié)角、跳高度等信息的采集處理、機(jī)器人蓄能、釋能和平衡機(jī)構(gòu)的驅(qū)動控制以及與上位機(jī)系統(tǒng)的通信功能。(3)機(jī)器人起跳運動分析根據(jù)仿袋鼠機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)及運動特性,建立了機(jī)器人起跳階段的運動學(xué)動力學(xué)模型,且分別通過數(shù)學(xué)模型的計算及虛擬仿真技術(shù)對機(jī)器人起跳階段進(jìn)行了運動仿真分析,驗證了機(jī)械設(shè)計的合理性。首先,通過機(jī)械結(jié)構(gòu)特點建立了機(jī)器人起跳階段的運動學(xué)動力學(xué)模型,經(jīng)過運動學(xué)建模分析及仿真得到了機(jī)器人質(zhì)心位移及速度在起跳階段的變化規(guī)律、機(jī)器人的能量轉(zhuǎn)換效率及不同起跳角度下的跳高跳遠(yuǎn)度,同時經(jīng)過動力學(xué)分析及仿真得到了機(jī)器人起跳階段所受地面支撐力的變化,通過仿真可以得到,機(jī)器人起跳過程中垂直方向的位移和速度比水平方向都更大,在起跳過程中有著較大的能量轉(zhuǎn)換效率,符合袋鼠起跳階段跳躍運動規(guī)律,同時得到了機(jī)器人起跳力屬于非線性變化力,先增大后減小,有效的避免了機(jī)器人的提前起跳,使得機(jī)構(gòu)具有良好的仿生跳躍特性及較高的能量利用率。其次,對機(jī)器人起跳階段進(jìn)行了基于虛擬樣機(jī)的仿真實驗,由于起跳階段主要是腿部運動,所以在Solidworks中簡化了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模型,保留了腿部部分,并將腿部模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行了運動仿真分析,由分析結(jié)果可以看出,雖然受到機(jī)器人腳掌與地面轉(zhuǎn)動副的影響,機(jī)器人在起跳階段的運動趨勢與袋鼠運動趨勢仍然相一致。兩種運動分析方式都驗證了機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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本文編號：1277488