论文总字数：27416字

摘 要

关键词：跳跃机器人；机构设计；控制优化；跳跃实验

Damping and perceivable foot designed for hopping robot

02011423 ZHANG Guo-fei

Supervised by LUO Xiang

Abstract: Research on this issue is based on hopping robot driving by hydraulic which belongs to our laboratory. The main task of this paper is to design construction of the hopping robot.

The foot of the robot requires a buffer to weaken landing impact during jumping. The foot also needs a sensor to measure forces of the hooping robot. This paper discusses the design plan, designs the construction, build a 3D-model in Solidworks, draws the part drawings and assembly drawings, assembles the parts, completes the debugging, and builds up the whole hopping robot. Secondly, this paper takes ZNLBU pressure sensor and amplifier as measuring element, completes the port configuration of A/D based on C8051F040, completes collection, analysis and save of signals of forces, and provides support for future tests. This paper analyses the nonlinearity links of hydraulic system and the theory of expansion of the hydraulic tube, builds a model and simulates in Matlab/Simulink, and analyses the impact of control system. Response curve of control system has been improved by changing the factors of proportion, integral and differential, which provides a reference for adjusting factors of PID in experiment. At last, this paper does a series of jumping experiment to prove the reliability of the hopping robot. Jumping height and forces of foot have been measured, which are analyzed to figure out what has an impact on jumping height of the hopping robot.

Key words: hopping robot; construction design; optimizing control; jumping experiment

目 录

1、绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景 1

1.3 国内外研究现状 1

1.3.1 跳跃机器人的机械结构 2

1.3.2 跳跃机器人的跳跃方式 3

1.3.3 跳跃机器人的驱动方式 4

1.4 课题研究任务和目标 5

2、机器人足机构设计 6

2.1 引言 6

2.2 跳跃机理分析 6

2.3 方案论证 7

2.4 蓄能弹簧参数设计 9

2.5 足机构设计及可靠性分析 10

2.5.1 跳跃机器人整体机构介绍 11

2.5.2 足机构设计 11

2.5.3 机构合理性分析 14

2.6 本章小结 14

3、传感系统设计 15

3.1 引言 15

3.2 传感器、放大器选型及参数 15

3.2.1 传感器 15

3.2.2 配套放大器 17

3.3 基于C8051F040单片机的A/D转换 17

3.3.1 A/D转换原理 18

3.3.2 端口配置与参考电压 18

3.3.3 数据采集系统 21

3.4 本章小结 21

4、控制系统优化仿真 22

4.1 引言 22

4.2 控制系统简介 22

4.2.1 PID控制基本原理 22

4.2.2 现有液压系统与控制系统介绍 22

4.3 液压管路膨胀建模仿真 24

4.3.1 非线性环节对系统的影响 24

4.3.2 管路膨胀机理分析 25

4.3.3 管路建模与仿真 26

4.4 PID参数调节与结论 28

4.4.1 调节比例系数P 28

4.4.2 调节积分系数I 29

4.4.3 调节微分系数D 30

4.5 本章小结 31

5、跳跃机器人实验 32

5.1 引言 32

5.2 参考电压标定 32

5.3 影响机器人跳跃高度的因素 32

5.3.1 髋关节质量对跳跃高度的影响 33

5.3.2 系统压强对跳跃高度的影响 33

5.4 本章小结 34

6、总结与展望 35

6.1 总结 35

6.2 展望 35

致谢 36

参考文献 37

具有减震和感知功能的跳跃机器人足研制

1、绪论

1.1 引言

机器人在现代生活中的应用越来越广泛，在人类的生产、生活中扮演着日益重要的角色。自机器人诞生以来，人们对机器人的定义有很多种。准确来说，机器人是一种自动执行工作的装置，能够协助或取代人类在各行各业的工作，根据具体应用的不同，可以分为移动机器人、工业机器人、仿生机器人、医疗与康复机器人等。机器人集机械、电子、计算机、材料、传感技术、控制技术、人工智能、仿生学等多门学科为一体，代表了一个国家机电一体化发展的最高水平，是当前科技发展最活跃的领域之一^[1]。随着应用范围的扩大，机器人的运动灵活性问题也越来越受到大家的关注，腿式机器人的研究也随之蓬勃发展起来。

1.2 研究背景

传统的机器人运动方式主要有轮式、履带式、仿生爬行式或步行式^[2]。这些运动方式共同的不足就是难以快速越过大型的障碍物或沟渠。而随着机器人应用领域的扩大，机器人面对的环境也变得更加复杂，比如军事侦查、反恐活动、星际探索、灾害搜救等，在这些特殊环境下，机器人必须要有较强的运动能力。跳跃是大自然赋予生物的一种快速移动方式，跳跃机器人也是由此而来。

随着工业进程的加快，近几年我国工业生产、储运过程中涉及的危险化学制品迅速增加，与此相关的爆炸、泄露事故也越来越多，因此对智能化跳跃机器人的需求也愈加强烈。相对于传统机器人，跳跃机器人有许多的优点，如：可以跨越体积比较大的障碍物，从而高效地通过复杂地形；跳跃运动可以在极短的时间内完成，因此有利于机器人对周围的时间做出快速的反应；连续跳跃机器人的运动速度非常快，因此能量利用率较高^[3]；跳跃机器人是一个平台，当与双足步行等运动形式结合起来时，可以在很大程度上提高机器人的活动范围；跳跃运动在理论上与地面之间时点接触，因此对复杂路面的适应能力较强。

1.3 国内外研究现状

对跳跃机器人最早的研究是在1979年，日本九州工业大学的Matsuoka教授^[4]建立了最早的跳跃机器人模型。当时的数学模型由有质量的上身、无质量的腿和一个旋转髋关节组成。由于条件所限，只对微重力场下的跳跃平衡问题进行了研究^[5]。继此之后，机器人的研究取得了更多可喜的进展。近三十年的研究历程中，以美国、日本、欧洲、韩国等为代表的发达国家的研究成果最能代表当今跳跃机器人的研究水平。

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