第 39 卷第 3 期 应用科技 Vol.39, No.3
2012 年 6 月 Applied Science and Technology Jun. 2012
doi:10.3969/j.issn.1009-671X.201112027
跳跃机器人各关节的动力学仿真分析
魏禹,古青波,彭浩宸
哈尔滨工程大学 机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001
摘 要:基于跳跃机器人在越障方面优于轮动或爬行机器人的特点,设计了一个三关节跳跃机器人,并建立了简化的机
构模型. 从分析力学的角度对机器人进行运动分析,采用拉格朗日法建立了站立相和腾空相的动力学方程,并用 Matlab
对动力学方程进行了数值仿真. 仿真结果表明各关节在电机驱动下有小幅度振动. 这一结果说明在研究跳跃机器人的稳
定性时,要解决各关节小幅度振动问题.
关键词:跳跃机器人;动力学分析;MATLAB 数值仿真;关节振动
中图分类号:O313.7; TJ818 文献标志码:A 文章编号:1009-671X(2012)03-0001-04
Dynamic analysis and numerical simulation of each joint of a hopping robot
WEI Yu, GUO Qingbo, PENG Haochen
College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract: Hopping robots have advantages of crossing obstacles compared with wheel robots and crawl robots. A three-joint
hopping robot was designed and its simplified mechanical model was established. The kinematics of the robot was analyzed in
an analytical mechanics view. By using Lagrange method, the dynamic equations of the robot in the standing phase and flying
phase were established, and numerical simulation of the dynamic equations was carried out with Matlab. The results of the
simulation show each joint driven by the electrical machine has a small amplitude vibration. The results explain that the
vibration problem of a hopping robot must be solved when studying its stability.
Keywords: hopping robot; dynamic analysis;
MATLAB numerical simulation; joint vibration
移动机器人在当前生产生活中的应用越来越广
泛,正在替代人发挥着日益重要的作用. 随着应用范
围的扩大,机器人面临的环境也越来越恶劣,如考古
探测、星际探索、军事侦察以及反恐活动等. 在这些
应用领域中地势往往很复杂,存在各式各样的障碍物
或者沟渠,有时还存在危险性,这要求机器人具有很
强的自主运动能力及生存能力.
1
目前机器人主要有 2 种运动方式:一种靠轮子或
履带驱动,这是大多数移动机器人的驱动方式;另一
种是仿生的爬行或步行方式. 轮子或履带驱动的机器
人只能在相对平坦的地势下工作,而在凹凸不平的地
势其运动受限. 步行或爬行机器人自由度多,控制复
杂,而且遇到障碍物同样无能为力
[1]
.
轮动或爬行机器人不能越过与自身大小相当的障
收稿日期:2011-12-28.
基金项目:高等学校博士学科点专项科研项目(20092304120014)
.
作者简介:魏禹(1987-), 女,硕士研究生,主要研究方向:现代设
计理论与方法, E-mail:503951689@qq.com.
碍物,而跳跃机器人则可以越过数倍甚至数十倍于自
身尺寸的障碍物,可以大大提高机器人的活动范围,
而且跳跃运动的突然性与爆发性有利于机器人躲避危
险. 另外在星际探索中,跳跃机器人利用星球的重力
加速度小于地球的重力加速度这一优势,发挥着重大
的作用
[2-3]
. 但是由于地面的崎岖不平,跳跃机器人在
运动过程中的倾翻将导致驱动系统失效,机械结构损
坏使系统失去控制等一系列问题;因此,跳跃机器人
的运动稳定性显得尤为重要
[4]
.
1 跳跃机器人的机构模型
机器人的机构模型关系到其跳跃性能,为了研制
结构简单、便于控制且具备优越跳跃能力的跳跃机器
人,首先对跳跃生物的生理结构进行研究,对其跳跃
远度和高度进行分析;其次总结机构的设计准则;最
后设计了跳跃机器人,其结构模型如图 1 所示. 该跳
跃机器人包括 4 个构件,分别是机器人的脚掌 2、小
腿 3、大腿 4 和躯干 5. 为保证跳跃过程中机器人不翻