检索结果-南通市图书馆

作者：马铭北京交通大学

学位级别：硕士

当前,四足机器人的研究方向主要分为重载、高适应性和灵活、高速,代表的研究分别为波士顿动力的大狗、野猫机器人等。但其中更好的联合仿生对象在运动过程中的身体形态变化以实现高速运动的研究成果并不多,机器人目前仍多选择完全刚性... 详细信息

当前,四足机器人的研究方向主要分为重载、高适应性和灵活、高速,代表的研究分别为波士顿动力的大狗、野猫机器人等。但其中更好的联合仿生对象在运动过程中的身体形态变化以实现高速运动的研究成果并不多,机器人目前仍多选择完全刚性的机身,仿生研究存在一定空缺。基于上述研究背景,本文选择猎豹作为仿生对象,增加脊柱机构的设计,同时为降低多机构可动时的控制复杂度,设定机器人脊柱与腿部联合驱动,整机为少驱动。构型确定后,进一步建立增大机器人腿部摆动频率,优化配置的腿部、脊柱构型的构型,完成机器人性能提升效果的比较验证,为仿生机器人的高速研究提供多方面的研究思路和理论参考。本文首先参考仿生对象猎豹实际的骨骼构成、运动中腿部、脊柱的运动完成对机器人构型的确定,进而通过轨迹优化确定最终腿部参数。为实现欠驱动的设计目标,设计中将腿部驱动传递到脊柱机构,完成整机设计。进而对机器人进行了运动学和动力学的分析验证。在运动学分析中,主要针对脊柱刚性和脊柱可变形两种情况下的足端轨迹进行求解,建立模型完成理论计算的验证。之后进行机器人动力学分析,分别通过杆组拆分后的受力分析及拉格朗日动力学对腿部驱动力矩和脊柱直线驱动的驱动力进行求解,搭建模型完成动力学验证。之后为更好的探索机器人提升运动速度的方法,通过增大腿部摆动频率和优化机器人的构型配置分别进行比较验证。在增大腿部摆动频率时,出现随着腿部主动曲柄转速增大,机器人开始出现腿部顺序错乱的步态失效情况,进而尝试通过调整腿部触地角和主动曲柄初始相位差两种方式使失效步态有效化,结合不同步态的腿部顺序建立这两种调节方法的模型,分别比较机器人速度提升效果,得出结论。在通过优化构型配置尝试提升机器人运动速度中,对不同步态配置不同的腿部弹性刚度和脊柱变形进行仿真,比较包含运动速度、稳定性、冲击和驱动力矩的表征运动性能的参数。不同步态应用不同构型后,运动性能产生不同变化,综合分析得到各步态最适合的机器人构型及最适合通过增加脊柱变形实现运动步幅的增大进而提高运动速度的步态,为高速仿生机器人通过构型优化实现更大运动速度的研究提供理论参考。

关键词：仿猎豹机器人欠驱动可变形脊柱机构失效步态调节机器人构型配置优化多步态分析

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新型飞行模拟器体感模拟与控制算法研究

新型飞行模拟器体感模拟与控制算法研究

作者：刘烨磊北京交通大学

学位级别：硕士

针对新型飞行模拟器,提出了一种体感模拟算法和运动控制算法,在模拟器有限的工作空间内为飞行员提供逼真的动感,并基于虚拟联合仿真系统,完成机构的运动与控制的联合仿真,验证算法的准确性,具体从以下三个方面进行研究。首先,结合经典... 详细信息

针对新型飞行模拟器,提出了一种体感模拟算法和运动控制算法,在模拟器有限的工作空间内为飞行员提供逼真的动感,并基于虚拟联合仿真系统,完成机构的运动与控制的联合仿真,验证算法的准确性,具体从以下三个方面进行研究。首先,结合经典洗出算法、新机构的运动特性以及人体的感知门限,提出了关于新型飞行模拟器的体感模拟算法,新的体感模拟算法与经典洗出算法的流程基本一致,只增加了一个低通角速度滤波通道,通过模拟经典方波曲线、起飞降落曲线以及眼镜蛇动作曲线,证明算法可以同时处理大姿态和小姿态飞行动作的洗出。体感模拟算法的难点是滤波器的选择和参数整定,通过单点迭代法和时域法求解滤波器的截止频率和阻尼比。其次,研究飞行模拟器的运动控制系统与控制策略,控制系统的研究侧重PID参数整定、速度和加速度前馈条件以及单轴运动系统的建模等,结合传统并联机构控制方法,利用位置控制中的绝对运动和相对运动实现机构的多轴联动。控制策略的研究侧重运动学分析与建模仿真,结合机构的运动特性,针对不同飞行动作提出不同的解算方法。最后,构建虚拟联合仿真系统,将控制算法与机构运动相结合,验证算法的准确性,本文采用MATLAB/Simmechanics与Pro/E进行联合仿真,将MATLAB中的数据实时地输入到Pro/E的运动系统中,完成虚拟联合运动控制,利用Pro/E的运动系统代替运动学的正反解,准确地计算出机构的驱动参数和位置参数,应用到伺服控制系统中,实施运动控制。

关键词：新型飞行模拟器经典洗出算法运动学控制策略联合仿真

铁柱撑累托石的制备及其同步去除重金属和有机污染物机理研究

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铁柱撑累托石的制备及其同步去除重金属和有机污染物机理研究

作者：杨威武汉工程大学

学位级别：硕士

随着工业化进程的加速,水体中重金属和有机污染物复合污染问题日益严重。重金属和有机污染物的长期暴露和累积不仅加剧了水质恶化风险,并且严重增加了处理难度。传统工艺一般采用分段进行处理,该方法周期长、费用高、操作复杂且极易造... 详细信息

随着工业化进程的加速,水体中重金属和有机污染物复合污染问题日益严重。重金属和有机污染物的长期暴露和累积不仅加剧了水质恶化风险,并且严重增加了处理难度。传统工艺一般采用分段进行处理,该方法周期长、费用高、操作复杂且极易造成二次污染。近年来,开发重金属-有机物复合污染同步去除技术成为环境领域的研究热点。本研究针对现有技术反应效率不高、催化稳定性弱以及使用成本较高等问题,从廉价高效催化剂的设计与合成入手,成功构建基于铁泥柱撑累托石催化剂的新型非均相Fenton同步去除复合污染体系。并从分子结构层面来研究不同有机污染物对非均相Fenton还原重金属离子的影响,以复合污染物非均相Fenton降解过程的中间产物为基础,揭示水中重金属与有机污染物的交互去除途径,深入研究有机污染物和重金属的同步氧化还原机理,为非均相Fenton体系处理水体中复合污染物提供理论依据。主要工作内容概括如下:(1)以天然粘土矿物累托石为载体,在Fenton氧化过程中,通过染料罗丹明B(Rh B)在被降解过程中对活性铁的诱导作用,原位制备出铁柱撑累托石催化剂(Fe-R-2)。该制备方法以均相Fenton体系二次废料铁泥为铁源,廉价累托石为载体,制备成本低廉。表征分析结果表明,铁活性物种主要为Fe OOH。制备过程Rh B被完全降解,由于Rh B的诱导作用,更多的Fe OOH进入到累托石层间,一方面导致累托石层间距增大,另一方面导致中孔数量增多。此外,制备过程Rh B的引入,能够显著提升复合材料的导电性和电子转移能力。(2)将Fe-R-2催化剂用于非均相Fenton体系降解水体中有机污染物。以盐酸四环素(TC)为模拟污染物,结果显示,在相同条件下,Fe-R-2催化降解速率是无Rh B制得的铁-累托石(Fe-R-0)的2.34倍。在催化剂投加量为0.2 g/L,HO投加量为10m M条件下,初始浓度为100 mg/L的TC在60 min内可被完全降解。Fe-R-2催化剂能够在较宽的p H范围(3.60-9.06)内对TC始终保持较为高效的催化降解性能。循环5次后,其活性未见明显下降。且对Rh B和酸性红G(ARG)均具有较好的降解效果。机理研究表明,反应体系中·OH自由基起主要氧化降解作用。(3)基于Fe-R-2优异的催化降解能力,在单一有机污染物体系中加入重金属构成复合污染体系,并考察Fe-R-2对复合污染的同步氧化还原能力。以Cr(Ⅵ)和TC为研究对象。研究发现,TC的存在使得Cr(Ⅵ)的还原速率提升47.4倍,这归因于降解过程中产生的草酸等还原性中间产物,能够有效促进Cr(Ⅵ)的还原。同时TC降解过程消耗·OH自由基,抑制Cr(III)的再氧化。在LED光照下,Fe-R-2催化剂能够高效催化HO同步去除Cr(Ⅵ)和TC,150 min内还原率和降解率分别高达98.1%和97.5%,COD去除率达80%。Fe-R-2能够在很宽的p H范围内(3.81-8.01)高效运行,在5次循环使用后其仍然具有较好的催化活性。此外,与LED光源相比,Fe-R-2在实际太阳光下表现出更好的性能。Fe-R-2/HO/LED体系对Cr(Ⅵ)和其它污染物如Rh B、ARG的去除也表现出了优异的催化活性,表明其作为一种高效、绿色、经济且稳定的同步去除催化体系具有极好的实际应用潜力。

关键词：同步去除 Cr(Ⅵ) 盐酸四环素 Fenton 累托石

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高固黏稠物料输送设备开发及研究

高固黏稠物料输送设备开发及研究

作者：张涛北京交通大学

学位级别：硕士

高固黏稠物料因其含固量高、黏度较大、流动性差的特点,与普通固体物料相比,黏稠物料的输送显得十分困难,而传统的输送设备在输送黏稠物料时易污染、费用高、易损坏,滞后于生产发展的需要,因此本论文设计开发了一套专门用于输送黏稠物... 详细信息

高固黏稠物料因其含固量高、黏度较大、流动性差的特点,与普通固体物料相比,黏稠物料的输送显得十分困难,而传统的输送设备在输送黏稠物料时易污染、费用高、易损坏,滞后于生产发展的需要,因此本论文设计开发了一套专门用于输送黏稠物料的输送设备。围绕黏稠物料输送设备的开发研究本文主要从以下几个方面展开。首先通过对黏稠物料的颗粒特性、浓度、黏度等主要物理特性的分析,确定黏稠物料在管道中的输送性能,然后利用旋转式流变计对黏稠物料氯化铝的流变特性进行实验分析,得到氯化铝表观黏度和剪切应力与剪切速率和物料浓度的关系,在此基础上完成了氯化铝在管道中输送阻力的计算。结合中试厂氯化铝下料的功能要求,参考氯化铝在管道中的流变特性和输送阻力,对黏稠物料输送系统进行了整体方案设计,确定了输送设备的布置型式;根据整体方案确定传动机构的设计要求,提出了几种机构类型并进行对比分析,并确定平面六杆机构作为传动机构构型。通过将平面六杆机构应用于传动机构以满足其设计要求,根据六杆机构可以由四杆机构和二级杆组组成,将六杆机构的设计转化为优化四杆机构连杆点轨迹和优化二级杆组的位置尺寸这两个子问题,利用曲线自适应方法对基础四杆机构的连杆点进行优化,确保其轨迹曲线上存在两段近似圆弧或近似直线,再结合传动函数对二级杆组的位置和尺寸进行优化,并以输出构件的运动函数和所给传动函数在间歇位置的误差最小作为优化目标,利用遗传算法在Matlab中进行计算求解,得到最优的平面六杆滑块机构和平面八杆机构。对求得的传动机构进行运动学和动力学分析,运用ADAMS对两种进行建模仿真,得到各构件的位移、速度和加速度曲线,以及各构件运动副的支反力情况,将仿真结果进行对比分析,确定平面八杆双间歇机构为黏稠物料输送系统的传动机构。本文最后对黏稠物料输送设备的关键零部件进行结构设计,确定主要结构参数,包括缸数、冲次、冲程、活塞直径等参数,完成曲轴、柱塞、连杆及十字头等主要零件的设计,并对柱塞和缸体的密封进行设计,完成了电机的设计选型。在此基础上利用SolidWorks完成了整机的三维样机建模。

关键词：黏稠物料输送系统平面六杆机构运动学动力学仿真

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一种新型载人爬楼轮椅的设计与分析

一种新型载人爬楼轮椅的设计与分析

作者：史康北京交通大学

学位级别：硕士

根据研究表明,我国已经处于老龄化社会的快速发展阶段。随着老年人口和残疾人口的增加,在交通、安全等领域给社会带来了越来越显著的压力,同时也促进了助老助残产业的发展,其中轮椅就是使用最广泛的出行工具。在发展中国家,很多老式居... 详细信息

根据研究表明,我国已经处于老龄化社会的快速发展阶段。随着老年人口和残疾人口的增加,在交通、安全等领域给社会带来了越来越显著的压力,同时也促进了助老助残产业的发展,其中轮椅就是使用最广泛的出行工具。在发展中国家,很多老式居民楼和低层建筑里没有电梯,普通轮椅没有爬楼梯的功能,老年人和残疾人无法出行。因此,国内外对具有爬楼梯功能的轮椅做了很多研究,也生产了很多产品。但是,国外的产品价格普遍较为昂贵,发展中国家的用户普遍难以承担。国内的研究则更多的停留在专利阶段,由于在安全、价格、控制等方面尚未完善的因素,投入实用的产品不多。本文针对国内外研究、应用现状,通过查阅资料,通过分析常见爬楼机构的优缺点,总结爬楼轮椅的发展趋势及需要解决的关键的技术,创新性的提出了一种将六杆机构和行星轮系相结合的新型载人爬楼轮椅,并对其整体方案的设计以及各种关键问题作了深入的研究分析。本文完成了整体方案的设计与分析:包括爬升机构的设计与分析、传动机构的设计、平地、爬楼模式切换机构的设计等,完成了工程样机的三维建模。然后对轮椅整体进行了性能分析:包括轮椅的平地运动分析、爬楼运动分析;基于ADAMS软件的仿真分析;最后进行了有限元分析,分析一些关键零件的强度、刚度,确保设计的爬楼轮椅的可靠性和安全性。本文最终设计了一款符合实用要求的新型载人爬楼轮椅,控制简单、操作便捷、安全可靠、造价成本低,符合发展中国家特别是我国的基本国情和社会需求。在机构设计、分析的过程中,不但使用了传统的机械设计方法,还结合现代的计算机技术,进行辅助计算、模拟、仿真,并最终验证了方案的实用性。本文设计的新型爬楼机构和用到的相关研究方法,为载人爬楼轮椅的设计和研究提供了一种行之有效的方案参考。

关键词：六杆机构行星轮系轮腿复合可靠性研究有限元分析

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刚柔耦合平面并联机构设计及其性能分析

刚柔耦合平面并联机构设计及其性能分析

作者：张建峰北京交通大学

学位级别：硕士

传统刚性并联机构中由于运动副间隙的存在,在运动中不可避免的会产生振动冲击,并且由于其自身结构的限制,在运动过程中会存在多种奇异位置。相比于传统刚性机构,柔性机构中具有消除运动副间隙、无摩擦、无需润滑等优势。因此,本文针对... 详细信息

传统刚性并联机构中由于运动副间隙的存在,在运动中不可避免的会产生振动冲击,并且由于其自身结构的限制,在运动过程中会存在多种奇异位置。相比于传统刚性机构,柔性机构中具有消除运动副间隙、无摩擦、无需润滑等优势。因此,本文针对传统刚性机构中存在振动冲击,规避奇异困难等问题,将柔性机构作为运动副加入到传统刚性并联机构中,形成具有规避奇异特性的刚柔耦合并联机构。在刚柔耦合机构中由于柔性关节的存在,减少了运动副间隙和冲击振动,同时可利用柔性机构储能释放能量的优势规避机构中的奇异位形,从而提高了机构的整体性能。本文以抓取对振动和冲击有严格要求的精密电子元器件为研究背景,确定了机构的设计准则,根据机构任务要求对作为本体的传统刚性并联机构进行设计,利用支链构造法,综合出了 19种机构构型。确定了以分布式柔性转动副加入到刚性并联机构中的设计方案,设计出了一类刚柔耦合并联机构并绘制出了相应的三维简图。其次,利用伪刚体模型法对柔性关节进行了分析修正,利用闭环矢量方程法对机构求解了运动学正逆解。完成了包括机构的工作空间、奇异性及动力学性能的分析。同时,对反映机构精度特性的静刚度及机构误差性能进行了分析,并提出了机构规避奇异的方法。最后,建立机构的虚拟样机并进行了仿真验证,利用3D打印技术制作了满足任务要求的柔性关节,制作的含有柔性关节的刚柔耦合并联机构实体样机,并搭建了相应的控制系统。针对机构规避奇异特性进行了实验研究,结果证明了所提设计方法的可行性和理论计算的正确性。

关键词：并联机构柔性铰链刚柔耦合奇异性误差分析

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一种确定轨迹的导引机构的设计方法与分析

一种确定轨迹的导引机构的设计方法与分析

作者：苗玉婷北京交通大学

学位级别：硕士

本论文针对能精确实现预期的平面轨迹提出了一种新型导引机构的设计方法,该类机构为非对称式的两支链并联机构,一侧支链为串联机构,为机构提供力的支撑;另一侧支链为带有移动副的五杆机构,通过移动副的往复运动来实现位移补偿,从而达到... 详细信息

本论文针对能精确实现预期的平面轨迹提出了一种新型导引机构的设计方法,该类机构为非对称式的两支链并联机构,一侧支链为串联机构,为机构提供力的支撑;另一侧支链为带有移动副的五杆机构,通过移动副的往复运动来实现位移补偿,从而达到实现精确轨迹的目的。整体机构为冗余并联机构,导引支链在精确实现轨迹的同时,可以带动与导引支撑支链运动。机构通过两条支链的协调运动,使得末端操作器在运动过程中,所受的力与速度始终保持一致。这一设计不仅克服了串联机构精度受限的缺点,同时也可通过五杆机构来实现轨迹的精确导引。为了实现机构预期的目的,首先,确定了机构的设计准则,根据设计准则基于螺旋理论综合出一系列的导引机构并画出相应的三维简图,结合应用选择其中一种机构进行分析。其次,根据所选的导引机构类型进行运动学与性能分析,对导引机构进行运动学正逆解的求解、工作空间的计算以及速度雅克比矩阵的计算,基于雅克比矩阵对机构进行静刚度、灵巧性的分析,并与串联机构的相关性能进行对比,从而验证机构性能的优越性;对机构进行虚拟样机的仿真与轨迹规划研究,将机构的三维模型导入ADAMS中进行运动仿真分析,将仿真结果与理论计算结果进行对比,从而验证机构运动的正确性。然后,对机构进行误差分析,分别考虑由杆长、驱动、装配等误差因素对机构输出位置的影响。最后,根据机构实现高速转向架U型槽的特定任务进行机构的尺寸优化,并计算得到导引模块中补偿位移的变化规律,得到机构各驱动关节的速度、加速度的变化规律。将优化后的结果利用Simulink/SimMechanics进行综合仿真实验,加入干扰因素,通过PID控制,使得机构末端操作器的输出误差尽可能最小。

关键词：导引机构精确轨迹设计方法性能分析尺寸优化

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大工作空间并联机构构型设计与分析

大工作空间并联机构构型设计与分析

作者：孙振瑶北京交通大学

学位级别：硕士

本研究为改善传统六自由度并联机构的工作空间,提出了一种新型的具有大工作空间的六自由度并联机构设计方法,包括了机构的结构设计、运动副轴线配置关系、机构构件尺度设计等方面,最终可以以工作空间为设计目标设计出具体的机构构型,确... 详细信息

本研究为改善传统六自由度并联机构的工作空间,提出了一种新型的具有大工作空间的六自由度并联机构设计方法,包括了机构的结构设计、运动副轴线配置关系、机构构件尺度设计等方面,最终可以以工作空间为设计目标设计出具体的机构构型,确定出机构的尺度。主要研究内容为：首先,通过研究支链中运动副对支链末端自由度的影响以及运动副轴线的位置关系,得出了支链末端需要三转动和三移动自由度时,支链的结构组成及运动副轴线的配置条件。然后,综合支链三转动和三移动的支链配置情况,提出了一种新型的三支链六自由度并联机构设计方法,并且以增大机构的工作空间为主要目标,同时兼顾简化运动学分析及减小耦合性等方面,对机构拓扑位置进行了优化,提出了支链内部及支链之间的运动副轴线位置关系的配置要求,对机构工作空间进行了初步优化。接着,以支链末端可达工作空间与机构动平台工作空间之间的关系为切入点,对六自由度并联机构进行了尺度设计,建立了机构尺度与工作空间的关系,包括动平台尺度、支链构件尺度、定平台尺度,通过对机构尺度的设计,可以对机构的工作空间进行进一步优化。最后,以动平台尺度以及动平台所需的位置空间和姿态空间为设计目标,按照选取支链结构、配置支链内运动副轴线的关系、配置支链间运动副轴线的关系、设计支链尺度、确定动平台尺度的设计步骤,对面向工作空间任务的六自由度并联机构进行了设计,并对其进行了运动学、工作空间分析,验证了本研究的正确性。

关键词：六自由度并联机构工作空间拓扑优化尺度设计

人体上肢位姿保持型康复训练机器人设计与控制

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人体上肢位姿保持型康复训练机器人设计与控制

作者：张言锴北京交通大学

学位级别：硕士

人体上肢康复机器人是融合机器人学、生理学、计算机学等多门学科的结晶,在医疗康复训练中具有巨大的潜在市场,具有很大的科研价值。基于以上背景,本文提出了一种结构轻量化、功能多样化的设计目标,并围绕该设计目标进行机构设计与控制... 详细信息

人体上肢康复机器人是融合机器人学、生理学、计算机学等多门学科的结晶,在医疗康复训练中具有巨大的潜在市场,具有很大的科研价值。基于以上背景,本文提出了一种结构轻量化、功能多样化的设计目标,并围绕该设计目标进行机构设计与控制系统的设计。首先,围绕结构轻量化设计目标,结合人体上肢准拟人化设计方法与位姿保持型康复训练运动设计要求,提出了一种基于贪心算法的关节排布轻量化设计方案,并对机器人绳索驱动方案进行综合设计,对调节机构、人机交互机构进行设计,最终确定了机器人基本构型方案与具体的三维模型设计,并进行了质量参数的提取。其次,基于所提出的机器人构型对其进行运动学正反解、速度分析、奇异性分析、工作空间分析,结合人体上肢尺寸与机器人构型设计尺寸的人机相容性分析。进行了针对康复训练机器人的轨迹规划插值方法以及中间轨迹特征点的提取方法的研究,进行了机器人静力学与动力学模型的分析。然后,基于所提出的机器人构型以及运动学、力学性能分析,针对上肢康复机器人控制系统搭建了包括机械系统模拟模块、人机接触交互模块的系统模拟模块;搭建了基于串级PID控制算法的位置控制模块;使用阻抗柔顺控制模型对人体上肢主观运动控制进行了模拟,并建立机器人虚拟阻抗控制模型、建立了基于位姿保持任务的阻抗参数规划算法;进行了人体上肢运动预测模块的搭建,并进行基于该模型的约定轨迹角度、交互功能角度的康复模式的实现方案分析。最后,完成了上肢康复训练机器人的人机力/位交互系统的仿真模拟。其中,分别对运动学与力学性能进行仿真分析并验证,分别对控制系统中的各个模块进行仿真与性能分析,对人机力/位交互康复训练系统性能测试模型进行了搭建,并开展了针对不同康复训练阶段的康复性能仿真分析,验证了上肢康复训练机器人针对不同康复训练阶段患者在功能角度上的不同康复性能。

关键词：上肢康复阻抗控制机械外骨骼便携式上肢

高速跑跳全形态式仿鸵鸟机器人设计与仿真分析

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高速跑跳全形态式仿鸵鸟机器人设计与仿真分析

作者：李思凡北京交通大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,机器人在人类生活中的应用领域不断扩大,包括服务、娱乐、医疗和军事等。双足机器人具有类人的结构和外观,对环境适应性强、灵活性高,可以代替人类完成很多危险性任务,比如防火救灾、环境侦查等。而如何让双足机器人实... 详细信息

随着科技的发展,机器人在人类生活中的应用领域不断扩大,包括服务、娱乐、医疗和军事等。双足机器人具有类人的结构和外观,对环境适应性强、灵活性高,可以代替人类完成很多危险性任务,比如防火救灾、环境侦查等。而如何让双足机器人实现高速度、低能耗的稳定运动,是目前机器人领域的研究热点之一。非洲鸵鸟(以下称为鸵鸟)作为目前世界上奔跑速度最快的两足动物,其腿部粗壮有力,能够实现持续的高速运动,此优越性对双足机器人的机械结构设计提供了重要的参考价值。本文以鸵鸟为仿生原型,根据工程仿生学原理,设计一种全形态式仿鸵鸟机器人,并进行相关理论分析和仿真实验研究。主要研究内容如下:(1)结合文献调研法研究鸵鸟的生物体机构、生物运动机理和运动规律,总结使鸵鸟实现持续的高速稳定奔跑运动的原因。采用仿生机械设计和轻量化设计,设计出一款结构紧凑、控制简单,且能实现高速奔跑、节能减震的全形态式仿鸵鸟机器人,并通过SOLIDWORKS建立三维模型。(2)简化机器人腿部结构,采用矢量解析法建立正向运动学数学模型,求得其足端轨迹及各关节速度和加速度方程,并通过ADAMS仿真验证了模型的正确性。基于此,以使实际轨迹与期望轨迹距离最小为目标函数,通过MATLAB遗传算法工具箱进行优化设计,得到一组最优的腿部机构结构参数。提出了三种求解腿部机构逆解的方法,并验证了其中微分法的正确性。同时,对机器人头、尾和翅膀机构进行正逆运动学分析,并验证其正确性。(3)基于达朗贝尔原理对机器人腿部结构进行动力学分析,建立动态静力学模型,求解出各关节约束反力及曲柄所需驱动力矩,并通过ADAMS仿真验证了动力学模型的正确性。(4)通过ADAMS软件建立机器人的虚拟样机仿真模型,对机器人刚性腿与具有弹簧或(和)扭簧的弹性腿进行仿真实验,对比仿真结果,结果表明弹性元件对机器人运动性能具有明显提升。通过ADAMS仿真分析不同刚度下弹簧和扭簧对机器人运动性能的影响,并组合不同刚度的弹簧和扭簧,得出一定区间内最能满足机器人设计需求的一组弹簧和扭簧刚度。(5)对机器人双腿、头、尾和翅膀进行运动规划,并使用PID算法设计机器人各部分运动控制器。在此基础上,在ADAMS中添加相应的STEP驱动函数,对机器人整体进行仿真实验,验证了运动规划的可行性。

关键词：仿生鸵鸟全形态式双足机器人高速跑跳数学模型运动规划