体操机器人是娱乐机器人中的一种,它参照体操运动员的外形和动作而设计,能够在单杠上完成摆起、大回环等动作。它不仅在视觉上给人一种震撼的效果,还能激发学生们的学习乐趣。从理论上讲,体操机器人属于欠驱动系统,其独立控制的输入变量小于机器人的自由度,这种特性使其在提高系统灵活性、降低能耗和减轻系统重量等方面具有优势。体操机器人不仅具有娱乐价值,在体操教学以及欠驱动理论研究方面同样发挥重要的作用。首先,本文对体操机器人的上杠、摆起和大回环等动作进行了规划,以人体形态为模仿对象,设计了一款仿人形的体操机器人。由于机器人在单杠上需要完成360°连续旋转,故需携带独立电源。另外,机器人内部空间有限,故需考虑电机、控制器、电源和线路等布置。手爪相当于被动关节,在机器人连续运动中起着关键性的作用,设计时需要考虑手爪的可靠性、容错性以及开合速度。本文所设计的手爪为一单关节合拢机构,结构紧凑、简单可靠,满足研制要求。由于手爪受力条件较差,运用ANSYS软件对其进行了应力分析。在结构和机构设计的基础上,完成了主动关节电机驱动控制器、传感电路以及电源保护电路的设计,实现了无线指令传输。在上述基础上,构建了整个体操机器人系统。其次,将设计好的体操机器人进行抽象简化,采用拉格朗日方程建立了机器人的动力学模型。根据角动量守恒和抛体运动规律建立了体操机器人双手离杠的空中动力学方程。然后在Matlab/Simulink平台上搭建了体操机器人的动力学仿真模块,并实现了运动仿真分析,最后通过成熟的ADAMS软件对上述数学仿真结果进行了验证。最后,对Spong提出的部分反馈线性化控制算法进行了改进,建立了相应的Simulink仿真模型,对算法进行了分析;接下来,搭建了实验平台,完成了体操机器人的摆起和大回环运动控制实验。实验结果表明,该体操机器人设计合理,控制具有鲁棒性。