气动肌肉驱动仿青蛙游动机器人设计及其关键技术研究

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1、国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文气动肌肉驱动仿青蛙游动机器人设计及其关键技术研究硕士研究生：孔彭城导师：樊继壮副教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学-ClassifiedIndex:TP242U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONDESIGNANDKEYTECHN

2、OLOGIESOFFROG-INSPIREDSWIMMINGROBOTACTUATEDBYPENUMATICMUSCLESCandidate：KongPengchengSupervisor：AssociateProf.FanJizhuangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefe

3、nce：July,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着水下资源勘探与开发、水中侦查与预警等科学及军事领域的需求提高，水下机器人技术得到快速发展。研究人员受自然界中的生物的启发，以水下生物为原型，开发出多种仿生水下机器人。青蛙具有水中游动、陆地跳跃两栖运动能力，研制兼具双重运动特性的仿青蛙机器人，可以使其在传统仿生水下机器人及足式机器人无法到达的区域作业，具有重要的现实意义和

4、应用价值。本文对青蛙的水下游动机理进行研究，丰富和完善水下机器人推进技术，拓宽水下机器人的应用广度，为两栖仿青蛙机器人的研制奠定基础。首先对青蛙的生物结构与运动特性进行分析，研究青蛙的肌骨骼运动机理及其游动过程的特点，抽象出躯干及后肢机构简化模型并进行仿真优化研究，在此基础上建立基于气动肌肉驱动的拮抗式关节模型，对影响关节角度及输出力矩的相关参数进行优化分析，为仿青蛙游动机器人的本体机构设计提供依据。其次，基于青蛙的肌骨骼运动机理和机构简化模型，进行机器人本体机构设计研究。重点对机器人的髋部、大腿

5、、小腿及脚蹼等后肢推进机构进行设计。为实现机器人的无缆长距离自主游动，设计可集成于机器人本体上的小型高压供气系统和机器人驱动控制系统；对机器人的躯干及后肢机构进行密封设计，使机器人具备在水中游动的能力。对机器人的重力、浮力及配重进行计算，保证水中运动的平稳性及可靠性。第三，对机器人游动过程中的水动力问题进行研究，建立躯干和后肢运动阻力及脚蹼推进力模型，基于拉格朗日法建立机器人的无升潜动力学方程，并分析逆动力学求解方法。结合动力学方程和运动约束，对机器人游动过程中的轨迹规划问题进行仿真优化研究，得到

6、机器人在推进阶段与恢复阶段的最优关节运动轨迹；同时在ADAMS中建立仿真模型，利用得到的优化轨迹进行机器人动力学仿真分析，验证所建立的动力学模型及轨迹规划的有效性。最后，设计机器人的硬件控制系统，确定机器人运动控制策略，编写机器人后肢关节运动实验及整机游动实验的上下位机软件程序，搭建实验平台，进行机器人的样机实验研究。通过机器人在水中的整机游动实验验证论文在青蛙肌骨骼运动机理分析、机器人本体机构设计和理论分析的有效性，以及基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人原理样机研制的可行性。关键词：仿青蛙游动机

7、器人；拮抗关节；气动系统；动力学模型；轨迹规划-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofwaterresourcesexplorationanddevelopment,waterdetectionandearlywarningorotherscientificandmilitaryareasofdemand,theunderwaterrobottechnologyhasbeendevelopedrapidly.Inspiredbythebiolog

8、icalinnature,theresearchershavedevelopedavarietyofbiomimeticunderwaterrobots.Froghasmanyformsofmotion,suchasswimminginwater,jumpingontheland,andcrawlingonthebank.Ithasimportantpracticalsignificancetodevelopafrog-inspiredrobotwhichhasthecharact