基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人的机构设计与分析

作     者：郑书勤 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高涛;魏敦文

授予年度：2018年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：仿生机器人 仿蝗虫 变胞机构 飞行跳跃机器人 

摘      要：随着移动机器人应用领域的不断拓展,运用于军事侦察、野外探测和救援搜寻的移动机器人的需求也越来越大,这些复杂非结构环境要求机器人具有体积小、越障性强和地面环境适应能力强等特点。蝗虫是具有飞行和跳跃两种运动模式的昆虫,不仅运动灵活性好、体积小、能耗少,而且能适应非结构化地形和环境。然而目前关于仿蝗虫机器人的研究主要是针对跳跃或者扑翼的单一运动模式,单一运动模式都存在运动性能较差、环境适应能力不强和落地冲击大等问题。为此本文以蝗虫飞行跳跃双运动模式为对象,设计一种基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃两种运动模式机器人机构,主要取得了以下几方面研究结果:(1)为研究蝗虫的飞行跳跃双运动模式运动特性,搭建了仿生运动实验测试平台,开展了蝗虫形态特征、运动过程和后腿结构的观测和分析,揭示了腿部与翅膀耦合的运动规律和机理。通过相机抓拍蝗虫的整个跳跃过程且建立了蝗虫的起跳模型,观测和分析了扑翼和腿部毛刺对跳跃性能的影响,揭示了腿部毛刺和扑翼飞行对蝗虫跳跃性能的影响规律。(2)基于蝗虫腿部与翅膀耦合的运动机理,结合蝗虫腿部结构和齿轮-杆机构丰富的力和运动变化特性,分别设计了跳跃机构和扑翼机构,并对其开展了运动分析。根据蝗虫飞行跳跃运动规律以及起跳和落地时腿部受力情况,结合变胞机构能使机构瞬时发生合并、分离的原理,将上述扑翼机构与跳跃机构相耦合,设计了飞行跳跃机器人机构,使用约束方程建立了变胞矩阵,通过变胞矩阵具体分析变胞机构的变胞过程,为后续的运动学和动力学仿真奠定了基础。(3)根据所设计的机器人机构模型,基于SolidWorks和ADAMS建立了飞行跳跃机器人虚拟样机仿真模型,对其开展跳跃姿态分析、运动学和动力学仿真。得到了机器人的跳跃运动轨迹、运动关节角的变化、储能所需拉力和脚掌与地面的接触力变化等曲线图,验证了机构运动的可行性、电机选型的合理性以及设计的机构具有落地缓冲。(4)制作了原理样机,并开展相关试验验证。使用3D打印技术制作出机构零部件,并组建成实物原理样机,并且分析了设计方案的改进过程。设计了试验方案,试验验证了原理样机的运动可行性、腿部毛刺影响跳跃机器人的跳跃性能和运动稳定性、扑翼运动大幅度提升跳跃机器人的跳跃性能。