一种稳定跳跃型机器人的设计与空中姿态控制

doi:10.3901/JME.2020.23.034

机械工程学报 ›› 2020, Vol. 56 ›› Issue (23): 34-44.doi: 10.3901/JME.2020.23.034

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一种稳定跳跃型机器人的设计与空中姿态控制

陈子明^1,2, 卢杰^1,2, 邓朋^1,2, 郭玉^1,2, 李艳文^1,2

1. 燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛 066004;
2. 燕山大学机械工程学院秦皇岛 066004

收稿日期:2020-05-04 修回日期:2020-07-20 出版日期:2020-12-05 发布日期:2021-01-11
作者简介:陈子明,男,1984年出生,博士,副教授。主要研究方向为空间少自由度并联机构的设计和分析理论。E-mail:chenzm@ysu.edu.cn;卢杰,男,1994年出生,硕士研究生。主要研究方向为跳跃机器人。E-mail:lujie1994@foxmail.com;邓朋,男,1993年出生,硕士研究生。主要研究方向为并联机器人的标定技术研究。E-mail:dengp0927@foxmail.com;郭玉,男,1995年出生,硕士研究生。主要研究方向为机器人运动控制。E-mail:gajade@foxmail.com;李艳文(通信作者),女,1966年出生,博士,教授。主要研究方向为机器人技术及应用。E-mail:ywl@ysu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金（51775474）和河北省重点研发计划（19221909D）资助项目。

Design and Attitude Control of a Stable Jumping Robot

CHEN Ziming^1,2, LU Jie^1,2, DENG Peng^1,2, GUO Yu^1,2, LI Yanwen^1,2

1. Hebei Provincial Key Laboratory of Parallel Robot and Mechatronic System, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
2. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004

Received:2020-05-04 Revised:2020-07-20 Online:2020-12-05 Published:2021-01-11

摘要/Abstract

摘要： 针对现有跳跃机器人跳跃时空间姿态旋转问题，从结构与运动控制上入手，设计一种稳定跳跃型机器人。基于弹簧倒立摆跳跃模型在平行四杆机构的基础上设计了一种新型八连杆机构，并利用离合式行星轮结构设计了一种靠卷绳实现能量蓄积与释放装置。利用拐点圆及最小残差理论对末端轨迹进行了近似直线优化处理，并建立了跳跃结构的运动学、动力学模型，进行了跳跃仿真测试。设计了基于模糊PID控制理论的双闭环反馈控制系统，并搭建联合仿真模型从结构动力学及姿态控制系统上进行整体仿真测试。结果表明机器人具备结构上的稳定起跳基础，并通过空中姿态控制实现跳跃后稳定姿态的保持，整体实现了稳定跳跃。

关键词: 跳跃机器人, 八连杆, 轨迹优化, 联合仿真, 姿态调控

Abstract: In order to solve the problem of space attitude rotation of jumping robot, a stable jumping robot is designed from the aspects of structure and motion control. According to the basic jump model of spring inverted pendulum, a new type of eight link mechanism is designed based on the parallel four-bar mechanism, and an energy storage and release device is designed by using the clutch planetary wheel structure. The approximate straight-line optimization of the end track is carried out by using the theory of inflexion circle and minimum residual error. The simplified kinematics and dynamics model of the eight link mechanism is established, and the jumping simulation test is carried out. A double closed-loop feedback control system based on fuzzy PID control theory is designed, and a joint simulation model is built to simulate and test the whole structure dynamics and attitude control system. The test shows that the robot has a stable take-off basis in structure, and the stable attitude is maintained after the jump through the air attitude control, and the whole stable jump is realized.

Key words: jumping robot, eight link mechanism, trajectory optimization, co-simulation, attitude control

中图分类号:

TP242

陈子明, 卢杰, 邓朋, 郭玉, 李艳文. 一种稳定跳跃型机器人的设计与空中姿态控制[J]. 机械工程学报, 2020, 56(23): 34-44.

CHEN Ziming, LU Jie, DENG Peng, GUO Yu, LI Yanwen. Design and Attitude Control of a Stable Jumping Robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(23): 34-44.

参考文献

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Design and Attitude Control of a Stable Jumping Robot

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