仿袋鼠单足负重液动柔性跳跃机器人设计理论及关键技术研究

袋鼠的双足同步跳跃模式和运动结构及其柔性长脚、长尾及脚跟腱等对设计实现单足负重高速低能耗稳健连续跳跃机器人具有值得学习的先进原理及技术。本项目研究旨在：以此为仿生切入点，用建模、仿真、实验和模试的方法，通过建立考虑柔性长脚、尾巴及柔性关节的多刚、柔体系统的仿袋鼠跳跃机器人机构模型及其运动稳定性、动态平衡及落地冲击的动力学模型和计算仿真分析，揭示袋鼠单足大步范围连续跳跃稳定性与动态平衡的机理以及落地缓冲与动力节能的机制等科学问题，据此设计单足跳跃稳定性自适应的柔性脚和精密动态平衡的柔性尾巴，试制燃油发动机动力、电液驱动的单足负重连续跳跃机器人原理样机。从而解决单足连续跳跃机器人的运动稳定性理论和运动平稳性动态平衡、飞行姿态与跳跃方向控制以及动力节能关键技术，为开发先进的足类跑跳机器人奠定新理论方法基础，为军事、救灾、勘测及交通等领域开发新型运输及代步的特种机器人装备开辟新途径，推进实用化。

针对解决仿生、负重、连续跳跃机器人的设计理论及关键技术问题，研究了仿袋鼠单足负重液压驱动的柔性跳跃机器人的设计理论及其关键技术。从袋鼠生物运动录像出发，通过各关节转角测量和仿生跳跃机构建模，并利用D-H法和拉格朗日方程法进行了运动学、动力学及运动稳定性分析，揭示了袋鼠跳跃动力学特性及运动稳定性机理，获得仿生各关节运动参数及运动规律；建立了具有柔性均质杆、曲线及斜直线变刚度杆柔性脚趾、全脚和柔性尾巴的仿袋鼠跳跃机器人刚柔混合多体动力学模型、落地冲击及运动稳定性分析模型，进行了着地阶段运动学、动力学、落地冲击和运动稳定性的仿真分析和实验验证，揭示了柔性脚趾、柔性脚和柔性尾巴减缓跳跃机器人落地冲击和保持跳跃落地稳定性的特性及规律； 在此基础上，引入形变分布式柔性机构的拓扑优化设计，优化设计给出了形变自适应柔性脚，并进行了三维建模和ansys仿真及实物静力变形实验验证；建立了三缸主动关节驱动、单缸踝关节驱动髋关节被动、单缸膝关节驱动踝关节柔性被动等多种负重连续跳跃机器人的机构模型、刚柔混合机构模型和欠驱动动力学模型，进行了动力学、落地冲击及稳定性和被动动力学及驱动节能技术研究。在此基础上，设计并试制液压驱动的多种仿袋鼠跳跃机器人原理实验样机，开发了汽油发动机和电动机带动的液压集成块式的动力系统和机器人的电液比例速度闭环控制系统，进行了机器人运动轨迹规划，采用PID控制算法和与模糊自适应算法结合的液压缸控制策略，实现单缸驱动跳跃机器人的跳跃运动，并验证了理论，同时也发现三缸驱动不可行的问题。对此，基于对单一微电机驱动的间歇式仿袋鼠跳跃机器人机构的研究，提出齿轮-五杆机构的液压缸增速器和汽油机直接带动的变挡式载人仿袋鼠跳跃装置新技术的解决方案。该设计理论与技术对仿生负重连续跳跃机器人的设计和下一代跑跳机器人的研究具有指导意义和参考价值。发表论文17篇，其中SCI收录1篇，EI收录7篇，国际会议2篇。申请发明专利8项，其中授权7项，计算软件著作权登记2项，硕士论文12篇。