仿蝗虫的刚柔耦合跳跃-滑翔机器人机构设计与性能研究

The bio-inspired jumping robot can be applied to the occasion with large obstacles, such as rescue and military reconnaissance, thus the research is of great significance. Aiming at the problems of the existing micro bionic jumping robots like difficulty in ensuring the take-off position and posture, easy to turn over in air and poor robustness, the locust is taken as a biomimetic object to break through some key technologies, such as design and motion planning of one degree of freedom rigid-flexible coupling jumping mechanism, dynamic modeling of jumping-gliding mechanism and inertia moment balance research, comprehensive performance sensitivity analysis and multi-objective optimization under multi terrain condition. A principle prototype of jumping-gliding robot is developed to validate and improve the above techniques.. Mechanism design and motion planning method of the jumping leg mechanism, based on the kinematics modeling method of rigid-flexible coupling mechanism and the homotopy method in complex plane, are proposed. The inertial moment balance of the robot is studied, based on the optimization method and speed-varying rotor dynamic balance method. Comprehensive performance sensitivity analysis method and optimization method including polynomial chaotic expansion method and so on are proposed. The above methods can make the robot have the advantages of accurate take-off position and posture, stable movement in air and good robustness.. The mechanism design and performance analysis method of rigid-flexible coupling jumping-gliding robot was proposed, which provides technical support for the micro bionic jumping robot, and reference for the research on the legged and gliding robots.

仿生跳跃机器人可应用于灾后救援、军事侦察等具有大型障碍物的场合，对其研究具有重要意义。针对现有微小型仿生跳跃机器人存在的起跳位姿难以保证、空中易翻转且机构鲁棒性较差等问题，以蝗虫为仿生对象，突破单自由度刚柔耦合跳跃腿机构设计及运动规划、跳跃-滑翔机构动力学建模及惯性力矩平衡研究、多地形条件下综合性能灵敏度分析及多目标优化等关键技术，研制跳跃-滑翔机器人样机，验证和完善上述技术。. 提出基于刚柔耦合机构运动学建模方法及复平面下同伦演化法的跳跃腿机构设计及运动规划方法；结合优化法及变速转子平衡法对惯性力矩平衡进行研究；提出包含多项式混沌展开法等在内的综合性能灵敏度分析及优化方法，使机器人具有起跳位姿准确、空中运动平稳且机构鲁棒性好等优点。. 提出刚柔耦合跳跃-滑翔机器人机构设计及性能分析方法，为微小型跳跃机器人提供技术支撑，也为腿式及滑翔机器人的研究提供参考。

仿生跳跃机器人可应用于灾后救援、军事侦察等具有大型障碍物的场合，对其研究具有重要意义。针对现有微小型仿生跳跃机器人存在的起跳位姿难以保证、空中易翻转且机构鲁棒性较差等问题，以蝗虫为仿生对象，开展仿蝗虫的刚柔耦合跳跃-滑翔机器人机构设计与性能研究。考虑到单自由度机构具有控制简单的优点，开展单自由度跳跃腿机构的设计与规划研究，得到满足包含仿生特性、运动轨迹在内的多约束条件下的单自由度跳跃腿机构的构型和尺度；建立了仿生跳跃机器人刚柔一体的动力学模型，揭示机器人起跳过程中的动态性能的变化，在此基础上，对机器人在高速起跳时的稳定性保持方法开展了研究；针对于不同驱动模式及不同初始条件，对机器人的崎岖地形适应性开展研究，以提高机器人在复杂地形环境下的跳跃稳定性，同时基于机构的可靠性及灵敏度对机器人设计参数进行优化研究，使得机器人的综合性能最优。最终仿生机器人研制原理样机并进行实验研究，证明了研究方法的可行性。.本项目提出了一种单自由度仿生机构构型-尺度一体化综合方法，在得到跳跃腿机构构型的同时可快速得到满足多约束条件的跳跃腿各杆长范围，提高了复杂的单自由度六杆或八杆机构的设计效率；提出了高速起跳下仿生机器人稳定性保持方法，通过以跳跃机构轨迹与姿态等运动学指标及转动惯量与角动量等动力学指标为目标进行优化，使得具有单自由度跳跃腿的机器人可以在高速起跳过程中保持良好的稳定性；提出了崎岖地形下基于稳定性的驱动力分配方法，在双侧单自由度跳跃腿驱动模式及初始条件不同的情况下，通过驱动力的合理分配消除了由于机器人起跳时两侧跳跃腿初始姿态不同而对其在空中运动状态产生的影响，确保机器人在崎岖地形下具有良好的跳跃性能。.本研究在为设计具有良好跳跃稳定性的微小型跳跃机器人提供了技术支撑，同时也为相关单自由度机构及仿生机器人的研究提供有益的参考。