隨著社會的進步,在復雜和危險的環(huán)境中工作的移動機器人引起越來越多的關注,足式機器人憑借其離散的落腳點的方式能夠在復雜多變的地面靈活運動,然而當前研究在生物運動機理的研究還未深入,現(xiàn)已研發(fā)的機器人呈現(xiàn)出“形似而神不似”的問題,存在很多技術難點。本文針對目前足式機器人回轉(zhuǎn)關節(jié)大多引入剛性驅(qū)動,能量利用率低及觸地沖擊等問題,對基于主-被動變剛度的柔性關節(jié)的足式機器人的單腿進行了機械本體的研發(fā),并且研究了其單腿跳躍的動態(tài)特性。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:首先,基于仿生學,研發(fā)了一款具有3自由度的具有主-被動變剛度柔性關節(jié)的串聯(lián)單腿樣機。對單腿的機構(gòu)進行了優(yōu)化設計,建立運動學模型進行空間運動優(yōu)化分析,分析驗證主動和被動變剛度理論的正確性和可行性。其次,針對被動狀態(tài)下單腿原地豎直跳躍運動的適應性和穩(wěn)定性問題,基于能耗角度分析角度,應用Hertz接觸（彈簧阻尼）模型理論,引入主-被動變剛度的柔性回轉(zhuǎn)關節(jié)的彈性輸出力矩函數(shù)模型,建立了考慮足與地面彈性接觸的二維被動豎直彈跳模型,進行動力學研究。然后,分析了在主動控制狀態(tài)下,采用拉格朗日建模法,充分考慮電機內(nèi)部阻尼參數(shù)對柔性彈腿系統(tǒng)跳躍的影響。在同一種... 

【文章來源】：河北工業(yè)大學天津市 211工程院校

【文章頁數(shù)】：84 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

移動機器人從刀耕火種的年代開始，充滿智慧的人類就開始利用工具來獲取食物，滿足生活的需求

河北工業(yè)大學碩士學位論文-3-態(tài)特性進行理論分析和驗證，分析引入其柔性回轉(zhuǎn)關節(jié)后但單腿跳躍運動的能量放大作用，為足式機器人的后續(xù)研究提供重要的理論和實踐基矗1.2具有柔性關節(jié)的足式機器人研究現(xiàn)狀與綜述通過審視腿足式機器人的發(fā)展史可以發(fā)現(xiàn)，仿生思想貫穿其整個發(fā)展史的始終，成為人們研究的重要思想源泉，早在15世紀，著名的科學家達芬奇采用木頭和青銅為材料，巧妙的通過機構(gòu)和線纜的牽引來完成揮動手臂、轉(zhuǎn)動脖子和開和下巴等動作，這就是仿生足式機器人的雛形。在早期18世紀到19世紀過程中，大多數(shù)研究學者在設計四足機器人和仿人機器人時，側(cè)重于機器人的機械本體設計，通過驅(qū)動單元使機構(gòu)運動，屬于剛性連接，未考慮對環(huán)境任何的適應性。但面對復雜多變的地形，其關鍵是擁有較高的靈活性的步態(tài)。通過大量的文獻分析發(fā)現(xiàn)，首個現(xiàn)有文獻記載的被認為進行足式機器人研究的是1878年一篇論文的發(fā)表，其作者是Eadweard，當時攝影技術逐步成熟且獲得廣泛應用，基于攝影技術，專門對馬行走、奔跑的運動過程進行拍攝，在腿足式的動態(tài)特性研究方面，值得我們參考借鑒，進行更深一步的分析。1986年，Raibert設計并研發(fā)了一款MIT單腿跳躍機器人，如圖1.2所示，使得當時學術界部分學者獲得極大的啟發(fā)。在機構(gòu)上腿部創(chuàng)新性地引入氣缸作為柔性單元，其機器人實現(xiàn)了穩(wěn)定的跳躍運動，對該領域今后的研究起到重要的承上啟下作用[1-3]。圖1.2MIT單腿機器人1994年，美國著名的MIT大學腿部實驗室Dilworth和Pratt研發(fā)了一款雙腿機器人，并且起名為SpringTurkey[4]，如圖1.3所示，在機器人髖部和膝關節(jié)處引入彈簧實現(xiàn)串聯(lián)彈性驅(qū)動，在控制器中運行虛擬模型控制方法�？蓪崿F(xiàn)簡單的連續(xù)行走，速度可達0.5m/s。

具有主-被動變剛度柔性關節(jié)的足式機器人的單腿動態(tài)特性研究-4-圖1.3SpringTurkey雙腿機器人1992-1994年，PedroGregorio經(jīng)過多年大量的試驗研究分析最終成功的設計了一款名為“ARLMonopod”的機器人[5]，如圖1.4所示，在控制方法仍采用Raibert的控制思想，定向跳躍的速度可達1.0m/s。從1993到1997年，在MonopodI的機構(gòu)基礎之上，在髖關節(jié)上引入彈簧作為柔性元素，基于“被動動力學”研究了控制算法，設計了一款新型MonopodII機器人[6]，其樣機機器人主動驅(qū)動的能量利用率達到當時的最高水平。如圖1.5所示，速度可達1.2m/s的定向跳躍。圖1.4ARLMonopod機器人圖1.5MonopodII機器人1998年，卡耐基梅隆大學的B.BrownandG.Zeglin基于仿生學運動機理，首次設計了一種富有彈性的弓形跑跳單腿機器人，命名為“BowLegHopper”[7]，如圖1.6所示，腿部設計極其簡單，主要由一條彈性極高的弓和一根平衡梁組成，采用電機驅(qū)動卷線來控制機器人跳躍運動，完成了串聯(lián)彈性驅(qū)動的任務，單腿機器人的跳躍特性得到了適當?shù)母纳�，但是仿生性能上仍然不理想�?

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]跑步經(jīng)濟性相關下肢剛度與神經(jīng)肌肉力量訓練適應性研究[D]. 聶文良.蘇州大學 2013

碩士論文
[1]不同拉伸方式作用下下肢剛度與爆發(fā)力的關系[D]. 劉靜.北京體育大學 2013
[2]不同高度跳深條件下下肢剛度與爆發(fā)力的關系[D]. 徐麗媛.北京體育大學 2013
[3]基于彈簧—質(zhì)量模型的仿袋鼠跳躍機器人步態(tài)穩(wěn)定性研究[D]. 夏旭峰.西北工業(yè)大學 2006



本文編號：3298244