基于电磁驱动的小型跳跃机器人运动特性研究

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跳跃机器人在复杂环境中的更强越障、更快躲避危险等优点吸引了许多研究者,对跳跃机器人的结构、驱动、控制进行研究已是热点课题。对如水面、废墟等特殊环境,传统跳跃机器人只通过优化结构等方式,已无法适用,因此,研究一种新型驱动下的小型跳跃机器人并实现其可控,对拓宽机器人作业领域具有重要作用。本文为了设计一种在具备跳跃、负重、可转向等多运动能力的基础上可控的小型跳跃机器人,研究对比了多种驱动方案,选择了可控性能较好的电磁驱动方法,并基于此原理,开展了驱动器与机器人的相关研究。具体的研究内容如下:(1)根据跳跃运动以及传统跳跃机器人关节结构设计方法,提出了一种结构更加紧凑的跳跃模型,结合电磁驱动原理设计了一种电磁驱动器,并通过仿真与实验分析了驱动器的激励特性。(2)建立了驱动器运动过程中的动力学方程,推导了激励大小与跳跃高度之间的映射关系;研究了机器人运动过程中激励大小与驱动频率的耦合关系并得出了最优参数;建立了机器人运动过程中出现翻转情况的边界曲线;基于差速法分析了机器人的转向过程。(3)搭建了适用于本机器人的硬件/软件系统,对驱动器与机器人多项运动性能进行了实验,最终实验结果表明:电磁驱动器最大跳跃高度为92 mm;最大负载为19 g;机器人在此电磁驱动器组装下,具有最快运动速度98 mm/s;机器人最大跳跃高度为70mm;机器人最大负载为55 g;机器人最大跳跃距离为75 mm,在左右方向上实现了各20°的可控连续转向。最后,与同类机器人多项运动特性比较,本文机器人在运动速度、负载能力及可控性方面取得了进步。
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