跳跃式机器人机构设计与动力学分析(可编辑)

跳跃式机器人机构设计与动力学分析南京航空航天大学博士学位论文跳跃式机器人机构设计与动力学分析姓名:李保江申请学位级别:博士专业:机械电子工程指导教师:朱剑英20060901南京航空航天大学博士学位论文摘要跳跃式机器人可以跃过数倍于自身高度的障碍物或沟渠,对地形有较强的适应力,且跳跃运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险,在现代化战争和航天探测领域将会有广泛的应用。

由于技术上的困难,目前国际上还处于初始研究阶段,尚无可实际应用的跳跃式机器人。

跳跃式机器人可分为连续性跳跃式机器人与间歇性跳跃式机器人,其中间歇性跳跃式机器人不需要时刻保持对机体的平衡控制,又具有构建简单、跳跃高度大等特点。

本文以间歇性跳跃式机器人为研究对象,构建了多种跳跃机构和集跳跃运动、轮式移动两种运动方式的间歇性跳跃式机器人,并对其进行了动力学方面的分析。

本文的许多分析过程与研究结论对于连续性跳跃式机器人的研究也有参考意义。

论文的主要内容如下:1.对比分析了连续性跳跃运动和间歇性跳跃运动、连续性跳跃式机器人和间歇性跳跃式机器人的异同点,概述了跳跃式机器人的研究起源、国内外研究现状及其发展趋势,总结了跳跃式机器人的主要构建方法,指出了跳跃式机器人目前研究面临的主要问题,并提出了可行的解决途径,给出了跳跃式机器人的诸多实例。

2.给出了线性弹性腿跳跃机构、六杆式蓄能腿跳跃机构、改进后的六杆式蓄能腿跳跃机构等三种跳跃机构的机构设计与工作原理分析。

设计了一个同时具有轮式移动、跳跃两种运动方式的自主式运动机器人的机械结构。

该机器人在较平坦地形下采用轮式移动方式前行,遇到障碍物或沟渠时,可以进行跳跃,从而扩大运动范围。

首先概括介绍了该机器人的总体结构和运动过程,然后详细分析了机器人的跳跃机构、跳跃参数调节机构、倾覆翻转机构、落地缓冲机构等关键机构的工作原理,并给出了机构设计方案。

根据总体设计要求计算了关键参数,并选定了蓄能弹簧、压缩锁定释放电机、起跳角度调节电机、行走电机、拉伸钢丝绳等器件。

3.给出了单自由度质量-弹簧系统模型、双质量-弹簧系统模型等基本跳跃模型的动力学分析,得出了模型的起跳条件、能量损失原因等结论。

把驱动机构和跳跃机构一起加以考虑,综合了各种阻尼的影响,构建了线性弹性腿跳跃模型、六杆式蓄能腿跳跃模型、带有扭簧的六杆式蓄能腿跳跃模型等三种跳跃模型。

采用二阶拉格朗日方程分析方法,对其进行了动力学分析和比较,求出了这三种跳跃模型的动力学状态方程和跳跃高度、能量损失的计算公式。

从影响跳跃高度的因素、跳跃过程中能量损失的主要原因、影响跳跃的其它因素等三方面入手,具体分析了影响跳跃运动的诸多因素。

4.建立了间歇性跳跃式机器人模型,对其单环跳跃轨迹进行了计算分析,绘出了单环跳跃轨迹抛物线顶点构成的椭圆。

把轨迹预测理论应用于水平地面跳跃、跃过I跳跃式机器人机构设计与动力学分析沟渠、跨越障碍物、跃上或跃下台阶等几种典型地形下跳跃过程的分析中。

给出了该模型的跳跃控制函数,提出了单环跳跃代价函数和总体跳跃代价函数的概念,并应用于跳跃式机器人的多环跳跃序列规划。

给出了该跳跃式机器人的一个多环跳跃序列规划过程。

以质量-弹簧跳跃模型为分析对象,研究了前向神经网络理论在跳跃运动分析中的应用。

采用神经网络仿真软件 NeuroSolutions构建了该前向神经网络分析器,并给出了仿真过程及仿真结果,且用袋鼠和人体跳跃过程中的一些参数来验证此MLPs神经网络分析器。

结果表明其具有良好的分析效果。

关键词:跳跃机构、跳跃运动、跳跃模型、跳跃式机器人、机构设计、动力学分析、跳跃轨迹、跳跃序列规划II南京航空航天大学博士学位论文ABSTRACTHopping robots can overleap the obstacles or ditches which dimensions are severaltimes than the robots’, they are more adaptive for all kinds of terrain. The sudden anderuptible characters of the hopping movement are more adaptive to avoid danger. Thehopping robots will have an extensive application in the modern war and the spaceexploration community. Because of the juvenility of technique, the hopping robots are stillin its' developing phase, and there having no hopping robots that can be put into use. Thehopping robots include continuous and discontinuous types. The balance of discontinuoushopping robots needn't be kept under control at any time, and meanwhile have thecharacters of simple structure and higher hopping height. This paper studies thediscontimuous hopping robots. Several hopping mechanisms are constructed, and ahopping robot with wheeled mobile ability is builded. Their dynamic problems areanalyzed. The most obtained theories can also be applied to continuous hopping robotsMain research achievements of this paper are as following:1. The continuous and discontinuous hopping movement, the continuous anddiscontinuous hopping robots are compared. The genesis and the present status of theirresearch, the trend of development are summarized. The main methods for hoppingmechanism design are summarized. The main problems and the solutions are pointed outSeveral hopping robots are introduced2. Three mechanisms, linear elastic hopping mechanism, six-pole elastic hopping mechanism, six-pole elastic hopping mechanism after modified, are built. Their mechanismdesigns are given and their working principles are analysed. A robot with wheeled mobileability and hopping ability is constructed. In the flat environment, the robot moves with itswheels. In the environment with obstacles and ditches, the robot can hop to extend itsmotion range. The architecture of the robot mechanical system, the structure of the robotbody, the hopping stance and the locomotion process are introduced.The hoppingmechanical system, the hopping parameter adjusting system, the overturning system, andthe buffering system for landing are analyzed in detail, and the mechanism desgin ispresented. Some key parameters of the robot are determined according to the requirementsof the overall design3. The basic hopping models, the single DOF spring mass movement system and thedouble mass spring movement system, are analysed. Three models, linear elastic hoppingIII跳跃式机器人机构设计与动力学分析model, six-pole elastic hopping model, six-pole elastic hopping model added with torsionspring, are built. In modeling, the dynamics of the actuator and all kinds of the damp areconsidered. The Lagrange formulation approach is used to make the analysis and thecomparison. The dynamic state equation of the three hopping models and the hoppingheight equation are derived. The various elements of affecting the hopping movement areanalyzed in details from three aspects: the elements affecting the hopping height, the mainreasons of causing energy losing, and the other elements affecting the hopping movement4. The model of a discontinuous hopping robot is constructed. Its single hopping trackis calculated and analyzed. The ellipse composed by culmination of hopping track isdescribed. The track estimating theory is applied to the analytical processes of hopping inthe several typical environments: hop over planar surface, overleap obstacles and ditches,jump up steps or jump down. A formula for controlling the hopping robot is given. Theformula of cost for evaluating the hopping results is derived. These algorithms are appliedto the sequence planning and a hopping sequence planning of the hopping robot isdescribed. Analyzing the spring mass movement system is investigated and the neuralnetwork is used to implement for such a movement system. The Multi-Layer-PerceptronsMLPs in analyzing this movement system is constructed; the simulationprocess andresult are given. The parameters of the kangaroo and human hopping movement are used tovalidate the validity of MLPs. Analytical results show that, MLPs are suitable for exactanalyse of the fast hopping movementKeywords: Hopping Mechanism, Hopping Movement, Hopping Model, Hopping Robots,Mechanism Design, Dynamics Analysis, Track Estimating, Sequence PlanningIV南京航空航天大学博士学位论文图清单图页码1.1 青蛙跳跃时的姿势 21.2 蝗虫起跳时的姿态 21.3 袋鼠跳跃时的姿态 31.4 袋鼠后肢的肌肉与骨骼示意图 31.5 连续性跳跃式机器人跳跃过程示意图 41.6 Case Western Reserve大学的仿生蟋蟀 61.7 六腿式仿生蟋蟀 61.8 Mini-Whegs仿生蟋蟀 71.9 Mini-Whegs仿生蟋蟀的一个跳跃过程 71.10 NASA喷气推进实验室的第一代跳跃式机器人 71.11 跳跃活塞 81.12 跳跃活塞的一个跳跃过程81.13 Raibert单腿跳跃机构 91.14 Acrobot机构 91.15 Minnesota大学的跳跃式机器人 101.16 Minnesota大学跳跃式机器人的一个跳跃过程 101.17 NASA喷气推进实验室的第二代跳跃式机器人及其蓄能机构11 1.18 第二代跳跃式机器人的姿态恢复过程 111.19 跳跃式机器人Kenken 121.20 Kenken跳跃时腿部姿态变换121.21 弓形腿跳跃式机器人122.1 第二章内容结构示意图 202.2 线性弹性腿机构 202.3 线性弹性腿机构原理图212.4 六杆式蓄能腿机构 222.5 六杆式蓄能腿机构原理222.6 改进后的六杆式蓄能腿机构 232.7 改进后的六杆式蓄能腿机构原理243.1 第三章内容结构示意图 273.2 机器人机械系统组成293.3 机器人行走状态三视图及62°角度起跳姿态图293.4 压缩、锁定、释放机构工作原理图 313.5 起跳角度调节机构工作原理图 323.6 倾覆翻转机构工作过程示意图 323.7 六连杆机构示意图343.8 六连杆机构跳跃高度计算模型图343.9 六连杆机构受力分析示意图 393.10 Fy力随 x变化曲线图蓄能机构采用 4根弹簧 413.11 Fy力随 y变化曲线图蓄能机构采用 4根弹簧 413.12 Fy力随 x变化曲线图蓄能机构采用 2根弹簧42IX跳跃式机器人机构设计与动力学分析3.13 Fy力随 y变化曲线图蓄能机构采用 2根弹簧434.1 第四章内容结构示意图 464.2 单自由度质量-弹簧系统模型 504.3 质心速度-加速度轨迹514.4 双质量-弹簧系统模型524.5 双质量-弹簧系统模型落地缓冲模型及与地面作用力曲线 545.1 第五章内容结构示意图 565.2 线性弹性腿跳跃模型575.3 六杆式蓄能腿跳跃模型635.4 带有扭簧的六杆式蓄能腿跳跃模型685.5 四种跳跃模型机构质心速度理论计算结果触地下降阶段速度 75 5.6 四种跳跃模型机构质心加速度理论计算结果上升阶段加速度 757.1 第七章内容结构示意图 837.2 间歇性跳跃式机器人模型 847.3 单环跳跃轨迹抛物线顶点构成的椭圆857.4 腾空阶段的“鱼跃”运动877.5 地面接触阶段的“鱼跃”运动 877.6 机器人位于起跳状态时重心与底板中心线位置关系 887.7 六杆式蓄能机构垂直方向受力与位移关系曲线 887.8 水平地面的跳跃轨迹897.9 跨越沟渠的跳跃轨迹沟渠不可跃过 907.10 跨越沟渠的跳跃轨迹沟渠可跃过、两岸高度相同 907.11 跨越沟渠的跳跃轨迹沟渠可跃过、两岸高度不相同 907.12 跨越可忽略宽度障碍物的跳跃轨迹障碍物高度超过 y 91m7.13 跨越可忽略宽度障碍物的跳跃轨迹障碍物高度低于 y 92i7.14 跨越可忽略宽度障碍物的跳跃轨迹障碍物高度介于 y和 y 间 92i m7.15 跨越不可忽略宽度障碍物的跳跃轨迹障碍物高度介于 y和 y 间 93i m7.16 跨越不可忽略宽度障碍物的跳跃轨迹障碍物高度低于 y93i7.17 跃上台阶的跳跃轨迹947.18 跃下台阶的跳跃轨迹 947.19 一个多环跳跃过程977.20 跳跃序列规划过程978.1 学习原理图 1008.2 BP网络结构及反向学习原理 1018.3 质量-弹簧模型三维空间跳跃过程 1028.4 质量-弹簧模型二维平面跳跃过程 1028.5 质量-弹簧模型跳跃运动的分析过程示意图1048.6 MLPs分析器结构示意图1058.7 NeuroSolutions软件中的质量-弹簧模型 MLPs分析器结构107 8.8 网络输出与实际数据cross validation data逼近的曲线 108 8.9 网络输出与实际数据testing data逼近的曲线1098.10 网络训练学习误差曲线 1098.11 网络 MSE值 110X南京航空航天大学博士学位论文9.1 六杆式蓄能腿机构的跳跃过程 1129.2 改进后的六杆式蓄能腿机构的跳跃过程 1139.3 六杆式蓄能腿跳跃机构的 UG装配模型 1189.4 六杆式蓄能腿跳跃机构的 ADAMS分析模型 1189.5 水平位移变化曲线 1199.6 垂直位移变化曲线 1199.7 水平速度变化曲线1199.8 垂直速度变化曲线1199.9 水平加速度变化曲线 1199.10 垂直加速度变化曲线 1199.11 改进后的六杆式蓄能腿机构的一个跳跃过程 119XI承诺书本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取得的成果。