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移动机器人运动的灵活性越来越受重视,面对恶劣环境、复杂地形和危险区域,机器人需要有很强的自主运动能力和生存能力。传统步行或爬行机器人以及轮式和履带式机器人的障碍穿越能力有限,在面对高于自身高度的障碍物例如楼梯、碎石、沟渠等非平面环境时甚至难以移动。弹跳机器人相对于轮式、履带式、足式移动机器人有更强的越障能力,可以轻易的翻越数倍于自身的障碍。跳跃运动相对于滚动、爬行也更加机动灵活,其爆发性也让机器人更容易躲避危险,在复杂未知的环境移动、自保能力更好。但是弹跳机器人也存在弹跳运动会消耗大量的能量,储能释放机构容易磨损,跳跃高度距离难以准确可控等问题。改进弹跳机器人的弹跳机械结构使其更加可靠、耐用、高效对于弹跳类机器人的性能极为重要。弹跳机器人的运动能力很大程度取决于机器人的机械本体结构、驱动系统以及智能控制系统。本文结合轮式移动的快速高效和弹跳机器人的灵活机动,设计了一种弹跳自平衡机器人,可在平坦地面利用轮式运动,在有障碍物时转换为自平衡自立状态,根据障碍物高度和需要跳跃的距离调节机器人倾斜角度,采用弹跳方式越过障碍。其中涉及了弹跳机器人机械本体结构设计与三维建模、零件制造、动力学系统建模、粒子群曲线参数优化、控制方法、仿真及样机实验等方面,得到了以下研究成果:(1)根据机器人在复杂环境中运动的性能要求,提出了弹跳运动和轮式自平衡滚动两种运动结合的复合运动方式,设计了一种能实现弹跳运动、自平衡轮式运动的新型弹跳自平衡机器人。机器人可根据所需实现运动状态进行运动方式的转换,在遇到难以通过的障碍物和地面凹陷时采取弹跳运动越过,而在较平整的地面利用车轮滚动进行快速移动,提高机器人运动性能和能量效率。(2)设计圆柱凸轮为弹跳系统的主要执行机构,通过圆柱凸轮轮廓曲线实现对弹跳机构蓄能、锁定、释放的控制。通过包含行星减速电机的方式缩小圆柱凸轮体积从而降低机器人重心,提高机器人运动稳定性。设计了两轮驱动系统,机器人可以在平面环境进行快速高效的移动,从而使轮式移动机构和弹跳运动机构完美融合。(3)基于质量-弹簧动力学模型,通过机器人的拉格朗日动力学方程,研究弹跳自平衡机器人的设计参数、起跳条件、起跳速度和能量转换,分析了机器人弹跳运动的机理,为后续的结构和控制优化提供了理论依据。利用ADAMS动力学仿真软件建立了弹跳机器人运动仿真环境,通过仿真验证了理论分析的正确性。对于两轮式移动系统,首先给出了轮式系统的运动模型。建立轮式自平衡系统的动力学模型,并根据动力学模型给出了自平衡系统的控制状态方程。利用MATLAB建立其仿真模型,验证了控制方案的正确性。(4)以弹跳高度、能效和降低最大电机转矩为目标,对圆柱凸轮轮廓曲线进行优化。首先对受力状态进行分析得到驱动力矩表达式,依据设计尺寸构造余弦加速度曲线的圆柱凸轮轮廓线。然后通过设定驱动力矩峰值、力矩曲线平顺性等优化指标及若干约束条件,利用粒子群算法对贝塞尔曲线构造的凸轮曲线进行优化。通过数据对比,优化设计后的圆柱凸轮曲线具有原动件运动平顺,负载转矩无突变,对瞬时输入力矩要求低的优点。(5)制作自平衡弹跳机器人实物样机,设计机器人控制系统软硬件。通过实验得到的数据对比,验证了所设计自平衡弹跳机器人的结构的合理性及理论分析与控制算法的正确性。