单足弹跳机器人虚拟样机关键技术的研究

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本课题来源于黑龙江省自然科学基金项目,论文以建立一个对复杂地形高度适应、性能可靠、并具有灵活运动能力的单足弹跳机器人为目标,分别对单足弹跳机器人和它的弹性腿—弹性驱动器的机械本体结构设计、动力学模型开展了研究。首先,分析国内外大量弹跳机器人以及它们的驱动装置相关技术研究的现状。根据机器人弹跳过程中的运动特征和生物肌肉的变刚度特点,结合传统的单刚度弹性驱动器的设计,提出了一种双刚度弹性驱动器,从而在驱动过程中根据负载大小可以被动调节驱动器弹簧的刚度,更好地模拟生物体的肌肉特性;根据双刚度弹性驱动器的弹簧特征,建立了双串联和双并联弹性驱动器的新型机械结构设计,详细对这两种新型机械结构形式的动力学进行了分析;介绍了电机驱动弹性驱动器各组成元素的选取原则、机械结构并对它的硬件电路和控制软件进行了设计。其次,建立了单足弹跳机器人的机械结构模型并对其弹跳腿驱动方式的选择进行了详细的论证。分析了基于Symmetrical Running的平面单足弹跳机器人动力学,得出了弹跳机器人弹跳高度、前进速度、身体姿态调整的控制方法和策略。最后,利用虚拟样机仿真软件ADAMS和机械系统控制软件MATLAB/Simulink建立了电机驱动弹性驱动器和单足弹跳机器人虚拟模型,进行了大量仿真实验。对电机驱动弹性驱动器作了控制性能和机械输出阻抗特性的仿真实验;对单足弹跳机器人整体做了弹跳高度、前进速度和身体姿态调整仿真实验。通过仿真实验,验证了两种研究对象结构设计的正确性,得到了一些非常有价值的数据和有益的结论,为单足弹跳机器人物理样机的研制提供了有力的参考。
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