氣動肌肉驅(qū)動仿青蛙游動機器人設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著水下資源勘探與開發(fā)、水中偵查與預警等科學及軍事領(lǐng)域的需求提高，水下機器人技術(shù)得到快速發(fā)展。研究人員受自然界中的生物的啟發(fā)，以水下生物為原型，開發(fā)出多種仿生水下機器人。青蛙具有水中游動、陸地跳躍兩棲運動能力，研制兼具雙重運動特性的仿青蛙機器人，可以使其在傳統(tǒng)仿生水下機器人及足式機器人無法到達的區(qū)域作業(yè)，具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。本文對青蛙的水下游動機理進行研究，豐富和完善水下機器人推進技術(shù)，拓寬水下機器人的應用廣度，為兩棲仿青蛙機

2、器人的研制奠定基礎(chǔ)。
　　首先對青蛙的生物結(jié)構(gòu)與運動特性進行分析，研究青蛙的肌骨骼運動機理及其游動過程的特點，抽象出軀干及后肢機構(gòu)簡化模型并進行仿真優(yōu)化研究，在此基礎(chǔ)上建立基于氣動肌肉驅(qū)動的拮抗式關(guān)節(jié)模型，對影響關(guān)節(jié)角度及輸出力矩的相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化分析，為仿青蛙游動機器人的本體機構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。
　　其次，基于青蛙的肌骨骼運動機理和機構(gòu)簡化模型，進行機器人本體機構(gòu)設(shè)計研究。重點對機器人的髖部、大腿、小腿及腳蹼等后肢推進機構(gòu)進

3、行設(shè)計。為實現(xiàn)機器人的無纜長距離自主游動，設(shè)計可集成于機器人本體上的小型高壓供氣系統(tǒng)和機器人驅(qū)動控制系統(tǒng)；對機器人的軀干及后肢機構(gòu)進行密封設(shè)計，使機器人具備在水中游動的能力。對機器人的重力、浮力及配重進行計算，保證水中運動的平穩(wěn)性及可靠性。
　　第三，對機器人游動過程中的水動力問題進行研究，建立軀干和后肢運動阻力及腳蹼推進力模型，基于拉格朗日法建立機器人的無升潛動力學方程，并分析逆動力學求解方法。結(jié)合動力學方程和運動約束，對機器人

4、游動過程中的軌跡規(guī)劃問題進行仿真優(yōu)化研究，得到機器人在推進階段與恢復階段的最優(yōu)關(guān)節(jié)運動軌跡；同時在ADAMS中建立仿真模型，利用得到的優(yōu)化軌跡進行機器人動力學仿真分析，驗證所建立的動力學模型及軌跡規(guī)劃的有效性。
　　最后，設(shè)計機器人的硬件控制系統(tǒng)，確定機器人運動控制策略，編寫機器人后肢關(guān)節(jié)運動實驗及整機游動實驗的上下位機軟件程序，搭建實驗平臺，進行機器人的樣機實驗研究。通過機器人在水中的整機游動實驗驗證論文在青蛙肌骨骼運動機理分析