关键词： 虚拟材料   分形理论   龙门焊接机器人   瞬态动力学  

摘要： 某公司生产的龙门焊接机器人启停过程中的振动振幅过大,振动衰减慢,难以满足工作要求。以某公司生产的龙门焊接机器人为研究对象,以提升动力学特性为目标,对龙门焊接机器人进行了试验及仿真分析,找出了振动的原因和结构的薄弱环节,最终将振动幅值和衰减时间控制在要求的范围内,主要内容如下:使用激光干涉仪对龙门焊接机器人进行了振动试验,分别对典型工况下,龙门框架、横梁、竖梁和机械臂等位置的振动情况进行检测,通过对振动曲线的分析,找出振幅大和振动衰减慢的初步原因和结构薄弱环节,为后续结构优化提供依据。滚珠直线导轨是龙门焊接机器人支撑和传动的主要部件,其内部结构复杂,沟槽和滚珠间的接触属于强非线性接触问题,在龙门焊接机器人仿真过程中,计算机无法承受如此高程度的算力,需要构造基于分形理论和赫兹接触理论的滚珠直线导轨虚拟材料等效模型从而实现模型的简化。滚珠直线导轨等效虚拟材料模型模态分析与模态试验求得的前6阶固有频率偏差在15%以内,说明该模型能够应用于实际仿真中。基于直线导轨虚拟材料模型,采用质量单元刚化等手段,建立龙门焊接机器人整机有限元模型,对龙门焊接机器人模型进行静力学分析,找到自重下刚度薄弱位置。对龙门焊接机器人进行模态分析,得到系统的前6阶模态振型和固有频率。解析瞬态动力学分析理论,采用有限元分析方法对龙门焊接机器人瞬态动力学特性进行研究分析,通过施加启停冲击激励,得到龙门焊接机器人的执行器末端的振动响应特性,获得各方向振动幅值及衰减时间。基于试验和仿真结果,提出了四种优化方案并进行对比研究,根据静态变形和各方向振动幅值的降比选出最优方案作为最终方案。研究结论指导企业进行了方案和结构的改进,彻底解决了振动幅值大振动衰减慢的问题,龙门焊接机器人在上海某企业已经成功应用。图76幅;表15个;参52篇。

关键词： 软体机器人   3D打印   牵拉驱动   直线爬行   转向   动力学特性  

摘要： 伴随着全球化工业革命和人类科技的快速发展,机器人越来越广泛地应用于社会生产生活中。传统刚性机器人主要由刚性部件构成,其形状只能适应特定的结构化环境,对复杂和非结构化环境的适应性较差。软体机器人主要由软材料构成,具有良好的弹性和可变形性,能够操作很多易碎和不规则形状的物体,可以更好地实现类似肌肉状态的仿生运动。由于软体机器人能以简单类型的驱动系统产生复杂的运动,而且成本低、质量小、功能性强,具有很高的实用价值和和广泛的应用前景,成为近年来工程领域科研人员研究的热点之一。本文以电机-线缆驱动软体机器人为研究对象,提出了三足和四足两种软体爬行机器人,完成了这两种软体机器人的结构设计和制造、动力学建模和控制,通过理论分析和实验研究系统地分析了其动力学特性。首先,设计并制造出了一种由刚体躯干和硅胶腿构成的三足软体爬行机器人。该机器人由3D打印的躯干、硅胶浇注的软腿和摩擦滑块的模块化设计组合而成,通过电机-线缆驱动完成直线爬行和转向运动。其次,针对三足软体机器人运动效率不高、受限于爬行平面摩擦特性的问题,结合非洲侧颈龟的行走步态,提出了一种无需摩擦滑块即可实现爬行运动的四足软体爬行机器人。该机器人的四条硅胶腿为对称式双侧锯齿设计,用以降低抗弯截面系数。最后,在准静态条件下,研究了四足机器人的硅胶腿的弯曲过程,通过步态分析建立直线爬行和转弯运动的数学模型。对四足软体机器人的斜坡爬行和负载能力进行了实验测试,并进行了两种软体机器人的性能比较。研究发现,三足软体爬行机器人运动状态较好,通过硅胶腿和摩擦滑块与爬行平面交替接触时摩擦力的变化实现运动,能在特定平面上实现直线爬行和转向动作。通过设计控制方案,可以实现连续爬行和切换运动模式的路径规划功能。四足软体机器人主要通过硅胶腿的弹性变形来实现运动。其运动过程更加灵活、爬行效率更高、性能更加稳定,能够适应多种不同的爬行平面。

关键词： SCARA机器人   关节柔性   动力学模型   动力学参数辨识   双编码器机器人  

摘要： 随着“工业4.0”和“智能制造2025”的相继提出,中国制造业正朝着自动化、绿色化及智能化等方向发展。工业机器人作为制造业升级的关键,在3C电子、车辆制造、精密加工等行业应用广泛。其中,SCARA机器人因其灵活性高、运行速度快、定位精度高等良好的特性,在工业自动化市场中被大多数企业青睐。随着市场份额加大,对SCARA机器人的性能指标也提出了更高的要求,因其高端技术应用大多以动力学模型为其基础理论支撑,并且在一、二轴关节处使用谐波减速器传动,将不可避免带来关节柔性,故需建立考虑关节柔性的SCARA机器人动力学模型才更加符合实际应用。在实际中,机器臂工件加工和装配时将引入结构误差,使SCARA机器人存在个体差异,关节刚度和摩擦也无法从理论模型知晓,所以必须通过参数辨识方法获取到实际动力学参数值。本文为了得到更加贴近真实的SCARA机器人动力学模型,进行了考虑关节柔性以及非线性摩擦的SCARA机器人动力学参数辨识研究。主要研究内容如下:首先,设计了从模型建立-消除刚度项-模型线性化-激励轨迹参数设计及优化-数据采集并处理-惯性参数及摩擦系数辨识-关节刚度辨识-模型验证的完整参数辨识流程,并详细讲述了本实验所采用的双编码SCARA机器人的软硬件平台,为后续研究奠定了基础。然后,采用D-H法建立SCARA机器人运动学模型,并求出SCARA机器人的运动学正逆解,作为动力学建模的基础;采用Lagrange方程建立动力学模型,该模型即考虑了关节柔性,又考虑了连杆侧与电机侧的非线性摩擦,使之更符合SCARA机器人的实际动力学模型。接着,通过因式分解法对动力学方程进行线性化处理,得出待辨识动力学最小参数集。再基于有限项傅里叶级数,选定动力学方程中回归矩阵的条件数作为优化指标,设计并验证了该动力学模型的最优激励轨迹。最后,将最优激励轨迹下发给双编码器SCARA机器人,利用伺服软件分别采集各关节反馈电流、电机编码器值、减速器输出端编码器值;将采集得到的数据经过均值滤波+巴特沃斯低通滤波+flitflit零相移滤波器处理后,代入动力学模型中,利用最小二乘法求出待辨识的摩擦系数和惯性参数,接着将辨识结果中电机惯量和电机摩擦系数代入电机侧动力学模型中估算出关节刚度,完成所有参数的辨识,选择不同于激励轨迹的另外一条轨迹验证参数辨识结果,求得残差均方根误差值都在2以内,说明了参数辨识结果的正确性。本文的主要创新之处在于采用一次辨识实验即可获得所有待辨识参数,且辨识误差都在可控范围内,极大地简化了工业机器人出厂流程,提高了效率,对实际生产制造具有重要意义。

关键词： 协作机器人   动力学模型   参数辨识   阻抗控制   零力控制  

摘要： 在“中国制造2025”的背景下,人机协作逐渐成为了机器人研究领域的新热点,人类与机器人需要共享工作空间并且安全地进行交互,协作机器人应运而生。零力控制是协作机器人的重要技术,其可以使操作者无需示教器编程而自由拖动机器人进行示教工作,能显著提升机器人的工作效率。但目前零力控制对外部传感器依赖程度大,而无外部传感器的零力控制示教效果又高度依赖于动力学模型的准确性。本文以协作机器人为研究对象,分别对机器人与负载的动力学模型进行参数辨识,并在此基础上实现无外部传感器的机器人零力控制,具体研究内容如下:首先,推导了协作机器人的运动学模型与雅克比矩阵,并基于牛顿-欧拉法对机器人的动力学进行建模。在动力学模型中考虑摩擦力的影响,并通过单关节的摩擦实验,在库伦-粘滞摩擦模型基础上提出了改进摩擦模型。为便于实现后续的动力学参数辨识,借助sym Pybotics工具箱,进行了机器人动力学模型的线性化与最小参数集的处理,并通过ADAMS-Simulink联合仿真,对动力学模型的准确性进行了验证。其次,为在参数辨识实验时更好地激励机器人的动力学特性,设计了基于傅里叶级数的激励轨迹,并通过遗传算法对激励轨迹进行优化处理。针对动力学参数辨识精度低的问题,对传统辨识算法进行改进,设计了迭代加权最小二乘辨识算法并完成参数辨识。通过运行一条验证轨迹对辨识的准确性进行验证,结果表明,本文的辨识算法能准确辨识出机器人的动力学参数,并且相比于传统辨识算法的辨识结果,6个关节预测力矩与实际力矩的偏差均方根降低了15.98%,提升了动力学参数的辨识精度。然后,考虑负载对机器人关节力矩的影响,对负载动力学模型进行推导,并采用联合仿真对其准确性进行验证。分析传统负载动力学参数辨识方法的缺陷,设计了无需机器人本体动力学参数的负载辨识方法,并对两种负载完成了参数辨识。分别以负载质量偏差和实际力矩与预测力矩的偏差均方根为评价指标,结果表明,本文负载动力学参数辨识方法快速准确,可为后续实现机器人带负载时的零力控制提供理论支撑。最后,对阻抗控制模型进行了理论分析,推导了关节空间与笛卡尔空间的阻抗控制方程。在机器人动力学参数辨识与负载动力学参数辨识的基础上,结合阻抗控制模型的特点设计零力控制算法,并针对起动问题优化了摩擦模型。通过调整阻抗控制参数,对机器人关节空间与笛卡尔空间的零力控制进行了实验,实验结果表明,机器人在拖动过程中外力最大值不超过35N,笛卡尔空间的轨迹偏差不超过4mm,均满足机器人的直接示教要求,验证了本文零力控制算法的可行性。本文提出的参数辨识方法可有效提升动力学参数的辨识精度,设计的零力控制算法可不依赖外部传感器实现协作机器人的示教工作,提升了机器人的工作效率,对推动人机协作技术发展具有一定的指导意义。

关键词： 仿蠕虫机器人   折纸结构   三维运动   运动步态分类   动力学仿真   起竖  

摘要： 近年来,仿蠕虫机器人因拥有狭窄空间的运动能力受到学术界和工程界的广泛关注。与传统的移动机器人不同,仿蠕虫机器人为无腿式机器人,移动是通过多个软体节依次变形生成后退蠕动波实现的。当仿蠕虫机器人用于执行环境监测等工作时,需要在蠕虫头部搭载视觉载荷。此外,不但需要仿蠕虫机器人具有一维(直线)和二维(平面)的高效运动能力,而且需要三维快速和稳定的起竖,并具备出色的空间可达性。本博士论文针对这些问题,开展了仿蠕虫移动机器人一维、二维和三维运动能力的研究。针对体节大变形的需求。本博士论文设计了以Yoshimura-ori折纸结构作为体节的新型折纸仿蠕虫移动机器人。为实现高效的移动能力,需要解决三个问题:第一,面向空间三维运动,如何设计和实现折纸仿蠕虫机器人的“结构-驱动-功能”一体化?第二,如何建立普适运动学模型并揭示三维运动步态的生成、分类和规划策略机制?第三,如何建立起竖过程的等效动力学模型并抑制起竖瞬态的振动?针对这三个问题,本文的主要工作如下:1.设计并实现了基于折纸结构和混合驱动的仿蠕虫三维移动机器人。利用几何方法分析了Yoshimura-ori折纸结构出色的空间可达性,在此基础上利用虚拟折痕法和静力学测试获得了其轴向变形和弯曲变形的力位移本构关系,并将其作为机器人驱动设计的重要依据。随后,基于Yoshimura-ori结构骨架,SMA弹簧和气囊混合驱动,电磁铁锚固装置,设计并制作了机器人样机。基于后退蠕动波机制提出了机器人的步态控制案例。机器人运动测试结果表明,该机器人能够有效地执行直线(一维)、平面(二维)和起竖(三维)运动。实验中,我们发现不同的体节变形模式将会产生不同的步态,进而实现不同的运动轨迹和运动性能,但它们之间的关系尚不清晰。因此,我们在研究内容2中分析步态对机器人运动轨迹和运动性能的影响。2.建立了仿蠕虫机器人三维运动的普适运动学模型并揭示步态对于运动的影响。以后退蠕动波这一运动机理作为基础,给出了仿蠕虫机器人三维运动的步态生成算法,可以实现所有满足约束条件的三维运动步态。以运动轨迹特征作为分类基础,三维运动可以分为9类,其中包括三维侧行等三维运动步态为首次发现。对于不同的运动轨迹,提出了不同的评估指标进行机器人移动性能评价。最后,我们设计了以目标接近度和达到时间作为优化目标的三维运动路径规划算法。通过计算帕累托前沿,机器人可以选择最优步态到达目标位置。由于运动学模型无法解释机器人起竖过程中的动力学行为,为了研究起竖过程中的瞬态振动等现象,就需要建立机器人的动力学模型。而在此之前,研究内容3首先分析机器人单体节的动力学特性。3.建立了Yoshimura-ori仿蠕虫机器人单体节的动力学模型并揭示其动力学特性。通过静力学测试和动力学测试得到了不同充气气压下体节的静力学本构特性和动力学频响特性。随后,利用动力学实验数据和参数辨识方法重构了体节的动力学模型,确定了刚度、阻尼等各项物理参数。数值仿真和动力学测试结果表明机器人体节具有可调的固有频率、传递率等特性。在单节模型基础上,进一步建立了6体节和60体节机器人的动力学模型。仿真结果表明,通过调节体节的充气气压,机器人结构可以有效地抑制振动在身体中的传递,即提升了在小振幅外激励作用下自身的稳定性。本部分展现的单体节动力学特性,为研究内容4中起竖动力学的分析奠定了基础。4.建立了Yoshimura-ori仿蠕虫机器人的起竖动力学模型并明确驱动和结构参数对起竖动力学过程的影响。以研究内容3中辨识的结构参数为基础,建立了由弹性铰链和弹性杆构成的机器人简化动力学模型。数值仿真结果表明,增大气囊或SMA弹簧提供的驱动力或者增加体节刚度均可以提高最终起竖高度。为了定量分析起竖过程中的瞬态振动,定义了稳定误差区间、稳定时间和过冲值进行评估。数值仿真结果表明,缩短SMA弹簧加热时间有利于提升起竖速度和稳定性,阻尼的改变同样会影响起竖速度和稳定性。本文的创新在于:1)设计并研制了Yoshimura-ori折纸结构和混合驱动仿蠕虫移动机器人,实现了一维直线、二维平面和三维空间运动,解决了传统仿蠕虫机器人三维运动能力的瓶颈;2)建立了仿蠕虫折纸机器人普适运动学模型及其三维运动双目标路径规划算法,实现了三维侧行、空间螺旋线等全新的运动步态,揭示了三维运动状态与步态参数的关系;3)建立了仿蠕虫折纸机器人起竖过程的等效动力学模型,揭示了折纸结构的刚度、结构阻尼和驱动力对起竖过程稳定性的影响规律。

关键词： 动力学参数辨识   激励轨迹   递推最小二乘法   摩擦力模型  

摘要： 随着六自由度机器人在工业现场和人们日常生活中的应用日益广泛,为了实现机器人的高速高精度控制,往往需要获得机器人准确的动力学模型,而模型的精准与否主要取决于动力学参数,因此对于机器人动力学参数辨识方法的相关研究尤为重要。本文针对机器人动力学参数辨识的关键技术作出改进,重点从激励轨迹的设计优化、参数辨识的方法以及摩擦力建模和辨识这几方面开展研究,旨在进一步优化辨识方法并提高最终结果的精度,为基于动力学模型的精确控制提供基础和先决条件。首先,对六自由度机器人的动力学参数辨识方案进行了整体设计。通过PUMA560机器人示例,分析了其运动学与动力学建模过程,并给出了六自由度机器人动力学参数辨识依据和基于最小惯性参数集的辨识原理,为后文的参数辨识工作提供基础和理论依据。其次,对参数辨识所需的激励轨迹进行设计与系数优化。在对不同轨迹模型的特点进行分析之后,选择了基于傅里叶级数型的轨迹作为激励轨迹的模型并以最小化观测矩阵条件数作为系数优化的指标。在对轨迹系数进行优化时,提出了一种改进的遗传算法,同传统算法相比,该改进方法在快速收敛能力和全局优化能力上都有一定的提高。根据改进方法所得结果给出了优化后的激励轨迹的具体描述并验证了其正确性。然后,设计了基于最小惯性参数集的改进辨识算法进行参数辨识。将通过改进方法所得的辨识结果同传统方法加以比较,利用拟合力矩与实际力矩的均方根误差对比结果说明了改进的方法在辨识效果上具有的优越性。另外,设计了验证实验完成了模型验证的工作,并根据所得机器人逆动力学模型设计了前馈控制仿真,结果证明了根据改进方法所得到的辨识结果的正确性与有效性。最后,提出了一个改进的非线性摩擦模型,并对相关系数进行了辨识。针对现有模型存在的一些缺陷,提出了一个能够对摩擦低速行为同样进行较好描述的模型,通过在实际机器人上采集的数据对模型进行系数辨识,对比分析了改进模型与传统库仑黏性模型对摩擦力矩的拟合效果,结果说明改进模型具有更高的拟合精度,并且改进模型还具备在零速连续的特性。

关键词： 服务机器人   机器人关节   驱控一体化   动力学特性   机电耦合  

摘要： 随着人工智能、智慧家居的发展,服务机器人走进了千家万户,机器人的核心部件是机器人关节,其运行性能会直接影响机器人安全和使用寿命。本论文以服务机器人关节为研究对象,首先进行机器人关节驱控一体化设计,研制出样机进行实验测试,并对机器人关节电机-齿轮传动系统机电耦合动态特性研究,进一步建立了机器人关节齿轮传动系统平移-扭转耦合动力学模型,对其固有特性进行研究。论文主要研究内容如下:(1)开展机器人关节驱动控制系统设计,包括硬件电路设计和软件程序设计,硬件电路包括电机驱动电路、主控芯片电路、位置检测电路和降压电路等,软件程序设计包括机器人关节驱动器程序、控制器程序和上位机界面设计。通过对机器人关节进行驱动控制系统设计,优化了硬件电路、软件程序,实现无刷电机闭环控制,有效减小机器人关节体积,能更好的应用于各种场景。(2)对机器人关节进行机械结构设计,包括无刷电机选型、精密齿轮传动系统以及壳体的设计。其中,针对机器人关节齿轮传动系统进行齿轮副时变啮合刚度研究,为后续机器人关节动力学特性研究奠定数值基础。进行机器人关节驱动器电路板和齿轮传动系统加工制造,研制出机器人关节样机,最后开展机器人关节实验测试,分析电机转速、电压等参数,验证了机器人关节驱控一体化设计方案的可行性。(3)根据无刷电机动态特性和齿轮传动系统时变啮合特性,建立出无刷电机动态模型和齿轮传动系统动力学模型,搭建机器人关节传动系统机电耦合动力学模型。由此模型,分析该系统自由扭振特性和系统模态能,并进一步研究在稳态工况和冲击载荷工况下机器人关节电机-齿轮传动系统动态响应特性。(4)以机器人关节中齿轮传动系统为研究对象,采用集中参数法建立了其平移-扭转耦合动力学模型,根据牛顿第二定律建立了各构件动力学方程。由此,分析该系统固有频率、系统模态应变能和模态动能,并研究系统刚度、质量等参数对固有频率的影响。

关键词： 柔性基座、柔性臂、柔性关节   空间机器人   奇异摄动法   捕获操作   运动、振动一体控制  

摘要： 基座、臂、关节全柔性空间机器人控制精度低,柔性振动难以消除,对其进行运动、振动高性能控制具有一定的难度。而利用全柔性空间机器人捕获非合作卫星,由于速度约束、碰撞冲击的干扰,对捕获后受扰组合体进行运动、振动一体控制更具挑战。因此,本文以全柔性空间机器人为研究对象,对其运动控制、捕获卫星时的碰撞动力学及捕获后组合体系统的镇定控制展开分析。 首先,分别建立了碰撞前全柔性空间机器人及被捕获卫星的动力学模型。分析系统接触、碰撞关系的基础上,建立了捕获完成后组合体系统的动力学模型。然后提出了模型的降阶方案,分别将全柔性空间机器人及组合体系统分解为可控的快、慢变子系统。 为了实现对全柔性空间机器人的运动、振动同步控制。针对快变子系统,设计了柔性振动抑制器。针对慢变子系统,基于补偿周期性系统误差的原理,提出了运动有限维PD重复学习控制,输出反馈重复学习控制,输入受限重复学习控制。而对于全柔性空间机器人存在建模误差及外部扰动的情况,考虑采用小波神经网络(Wavelet neural network,WNN)逼近误差上界,设计了基于WNN的自适应非奇异快速终端滑模控制。 针对全柔性空间机器人捕获非合作卫星的问题,基于组合体降阶模型,研究了不同工况下的镇定控制方案。对于计算量小、精度要求高的场合,设计了线性状态反馈镇定控制。在驱动力矩受限的情况下,考虑优化PID控制参数,解决性能次优的问题,提出了基于障碍Lyapunov函数的约束神经网络自适应镇定控制。为了避免捕获过程中算法设计依赖于模型信息及收敛速度慢的问题,研究了基于指数趋近律的滑模重复学习镇定控制。针对捕获过程中模型具有不确定性的问题,为避免网络结构的模糊规则选择过少达不到期望的逼近要求、选择过多又会加重计算负担,设计了自组织模糊神经网络镇定控制。考虑解决捕获过程中模型的不确定性上界难以估计的问题,提出了基于切比雪夫多项式的鲁棒镇定控制。 最后,通过Matlab进行了全柔性空间机器人运动控制、捕获操作的模拟实验,验证了所提控制算法在各种复杂工况下的有效性。

关键词： 行星履带机器人   动力学分析   越障控制算法   自适应模糊PID  

摘要： 随着机器人技术的发展,移动机器人在水平路面的基本运动能力已经相对成熟,其越障能力研究具有更重要的意义。机器人的越障性能会直接影响到它的侦察能力、救援效率等作业效果,因此在现代军事侦察或者抗灾救援工作等情景中对机器人的自主越障性能提出了更高的要求。为提高行星履带机器人的越障性能,实现机器人越障过程的精确控制,本文在对行星履带机器人的基本运动能力分析的基础上,对其越障过程中的动力学问题进行了分析,为后续控制系统研究提供理论支撑,并给出了优化后的质心位置;研究了行星履带机器人的运动控制算法,提出自适应模糊PID控制算法并设计了机器人越障控制系统,实现了对机器人越障过程的精确控制。通过对行星履带机器人的基本运动能力的研究分析,得到机器人的相关技术参数和运动所需力矩,在此基础上利用达朗贝尔原理、牛顿欧拉方法和拉格朗日方法、哈密尔顿原理进行动力学建模,建立了行星履带机器人越障过程中受力情况与运动参数的动力学关系模型并进行了动力学分析。通过对行星履带机器人的越障过程仿真,调整了机器人的质心位置,实现了越障时间的优化。为解决行星履带机器人在越障过程中运动控制精度低的问题,对常见的运动控制PID算法进行分析对比后,提出自适应模糊PID控制算法,可有效解决常规PID算法与模糊PID算法动态性能较差的问题,满足行星履带机器人在越障过程中对于运动控制的需求。为实现行星履带机器人越障过程的精确控制,在基于对行星履带机器人越障过程进行动力学分析及运动控制算法研究成果的基础上,利用模块化的设计思想对越障控制系统进行了硬件和软件设计。控制系统主要包括姿态采集模块、电机驱动控制模块等,能够对行星履带机器人的越障运动进行控制。进行了行星履带机器人基本运动能力和越障能力实验,设计机器人越障过程中的航向波动参数等作为衡量越障性能的指标。实验结果表明,行星履带机器人控制系统满足其越障控制需求,能够实现行星履带机器人越障过程中的精确控制。

关键词： 软体机器人   跳跃机器人   磁驱动   前后运动切换   转向  

摘要： 软体跳跃机器人作为跳跃机器人的重要技术分支之一,因其材料柔软,鲁棒性高,能快速越障等优点被广泛应用于管道探索、货物运输、军事侦查等诸多场景。而针对目前跳跃软体机器人存在的连续跳跃能力差、有缆绳牵引、制造和操作复杂等缺陷,本文提出了一种操作简单、运动灵活的基于磁场驱动的微型跳跃软体机器人,并提出了多种转向机制和前后运动切换策略,大大提高了跳跃软体机器人运动的高效性和高智能性,拓宽了其应用领域范围。本文主要研究工作如下: 研究和分析了自然界动物诸多跳跃方式的驱动原理,提炼和总结了两种跳跃驱动方式;并结合磁场驱动的特点,设计和制备了两种不同驱动方式的磁控跳跃软体机器人。同时为了确定最佳的磁控跳跃软体机器人设计方案,通过预实验,对两种设计方案的磁控软体机器人的运动性能进行对比分析,最终选定躯体弯曲蓄能式作为磁控跳跃软体机器人的最佳设计方案。 针对硬磁片磁性致动器所存在的缺点,提出利用磁敏弹性体代替硬磁片作为磁控软体机器人的磁性致动器;在原结构基础上,对基于磁敏弹性体驱动的磁控微型跳跃软体机器人进行了迭代设计和标准化处理。为得到最佳的磁性致动器,从制备流程工序、材料选择以及质量配比三个方面对磁敏弹性体的性能进行了优化。 介入高速摄像机和视频分析软件,分别研究了基于磁敏弹性体驱动的磁控微型跳跃软体机器人的单次跳跃能力和连续跳跃能力,并分析了一个周期内的运动姿态及位移组成,构建各项运动位移之间的关系表达式。结合磁控跳跃软体机器人的运动特点,建立了两段式力矩驱动铰链运动模型,并整理得到非齐次线性方程组;利用Simulink矩阵求解模型对运动方程组进行求解,将实际实验结果与数值仿真结果进行对比,优化参数和求解器,得到贴近实际运动的数学模型。 分别研究了不同操作参数和环境因素对磁控软体机器人运动性能的影响。然后结合磁控软体机器人的运动特性,提出并验证了两种不同的前后运动切换策略和两种不同转向机制。最后利用有限元仿真软件建立了磁控跳跃软体机器人的运动仿真模型,研究了关键几何参数以及磁性致动器性能参数对磁控软体机器人运动性能的影响,由此优化结构,进一步提高磁控软体机器人的运动性能。