新型气动仿青蛙机器人设计及弹跳性能研究论文

2024年4月1日发(作者：家长心声大全简短)

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U.D.C: 681.5

Disrtation for the Master Degree in Engineering

RESEARCH ON DESIGN AND JUMPING

PERFORMANCE OF A NEW PNEUMATIC

FROG-INSPIRED ROBOT

Candidate：

Supervisor：

Academic Degree Applied for：

Speciality：

Affiliation：

Date of Defence：

Degree-Conferring-Institution：

Zhang Wei

Prof. Cai Hegao

Master of Engineering

Mechatronics Engineering

School of Mechatronics Engineering

July, 2012

Harbin Institute of Technology

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘 要

仿生青蛙跳跃机器人由于其越障能力强，能适应不同的地表，具有很强的

环境适应能力，已经成为目前国内外研究的热点。本文在对生物青蛙肌骨骼系

统进行研究的基础上，采用气动肌肉作为驱动元件，设计并研制了一种新型仿

青蛙弹跳腿机构。对机器人进行建模，并对运动学、动力学和起跳轨迹规划进

行了分析，通过计算机仿真和实物样机跳跃实验验证了跳跃机构设计的合理性。

首先通过对国内外现有资料进行分析，总结出青蛙在跳跃过程中各关节运

动轨迹规律；通过对青蛙跳跃的运动特征以及跳跃过程中腿部肌肉的伸缩情况

进行分析，得出影响肌肉作用效果的因素；为了能够有效模仿生物肌肉的特性，

采用Mckibben型气动肌肉作为驱动，研制出一种以气动肌肉为驱动的仿青蛙

弹跳机构，并建立仿青蛙跳跃机器人的电气机械系统模型。

将机器人的运动学分析分为地面阶段和腾空阶段，运用D-H方法分别对其

进行运动学建模，对这两个阶段的正运动学和逆运动学问题分别进行求解。膝

关节和踝关节的双关节机构采用曲柄滑块机构实现，对气动肌肉的收缩量问题

进行分析，建立机器人运动与肌肉收缩量之间的转换关系。

运用拉格朗日法建立了机器人跳跃过程的动力学方程。通过求解动力学逆

问题，可以确定机器人在已知运动规律下的关节转矩大小。同时为了进行弹跳

性能的分析，利用基于遗传算法的轨迹规划方法，以最小关节转矩为优化目标，

在关节空间对机器人运动进行分析。

在ADAMS虚拟环境中，利用弹簧阻尼单元模拟气动肌肉输出，对仿青蛙

机器人的运动进行仿真。最后利用所研制的仿青蛙弹跳腿样机，进行了垂直跳

跃实验与跳箱子实验，仿真和实验效果验证了气动肌肉驱动的仿青蛙弹跳机器

人设计的可行性。

关键词：跳跃机器人；仿青蛙；气动肌肉；运动学；动力学；轨迹规划

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