1、*大学生科技活动项目资助申请书项目名称 具有弹跳功能的机器人单腿的设计 项 目 类 别 ： 科研攻关 基础研究申请人 * 所在单位 郑州轻工业学院指导教师： * 职 称 教授 填 报 时 间 2014.12.08 校大学生科技活动领导小组办公室项目名称 具有弹跳功能的机器人单腿的设计预期成果形式 论文论著 研究报告 新产品 鉴定成果 专利 项目概况 申请经费（元） 10000姓名 性别 出生年月 专业 班级* 男 * 机械工程 14 级* 男 * 机械工程 13 级* 男 * 机械工程 14 级* 男 * 机械工程 12 级项目主要参加人员概况注：学生限报 5 人项目简介（300 字） （简要
2、说明申请项目的意义、研究内容及预期目标）本项目研究的具有弹跳功能的机器人单腿，在现有对具有弹跳性能的单腿机器人研究的基础上，对具有弹跳功能的四足机器人各腿部结构等进行研究。通过在每条腿上设置弹跳储能结构单元，使机器人初步具备弹跳功能，以提高机器人的仿生与跳跃性能，提高机器人的越障与适应环境的能力。（一）申请项目的依据和意义（国内外相关领域的研究现状及发展趋势，开展此项研究的必要性）：1、选题意义目前，机器人已经在很多方面获得成功应用。特别是机器人能够代替人类在一些非结构性环境中作业，在军事、星球表面探测、核工业等方面有着非常广阔的应用前景。多足步行机器人在非结构环境下工作，要求具有复杂操作功能
3、及高机动性。而限于机器人研究水平，现有的多足步行机器人通常是作为一种单纯的移动平台，很难在非结构性环境中实现稳定精确的运动。我国非常重视高性能四足仿生机器人的开发。国家 863 计划先进制造领域于 2010 年发布了“高性能四足仿生机器人”主题项目指南，吹响了“十二五”期间我国高性能四足机器人技术攻关的号角。与国际同行相比，我国高性能四足机器人的研究和开发还处于起步阶段。围绕我国开发高性能四足仿生机器人的总体目标，本项目提出对具有储能功能的变机体模块化四足仿生机器人构型进行研究，以丰富四足步行机器人的运动构型，提高步行机器人的运动性能。目前的多足仿生步行机器人，其机动性不好，对环境的适应性不够
4、，越障能力较弱，运动步态的模式较有限。比较典型的，仿生步行机器人实现对沟壑、障碍的跳跃就比较困难。为提高仿生步行机器人的运动性能，国内外学者开展了具有弹跳性能的仿生机器人研究。但对有弹跳性能的仿生机器人研究多从单腿系统开始。本项目研究的具有储能功能的变机体模块化四足仿生机器人，在现有对具有弹跳性能的单腿机器人研究的基础上，对具有弹跳功能的四足机器人各腿部结构等进行研究。通过在每条腿上设置弹跳储能结构单元，使机器人初步具备弹跳功能，以提高机器人的仿生与跳跃性能，提高机器人的越障与适应环境的能力。2、国内外研究现状目前，很多学者针对特定环境、特定任务的各类构型机器人的机构综合、运动学与动力学建模问
5、题开展了许多富有成效的研究，解决了很多科学技术问题，推动了机器人技术的进步，具体包括：（1）单腿跳跃机器人麻省理工学院 Raibert 等人研制了单腿跳跃机器人之后，GarthZeglin 等人利用弹性弓形腿，通过拉伸绳索机构使弓形腿弯曲并驱动钢板弹簧变形存储能量，当弓形腿弯曲到一定程度时会自动释放绳索，释放能量的同时弓形腿弹回原来的形状，在地面反弹力的作用下实现跳跃，但该机构具有一定的缺陷，即只能在二维平面内运动。2002 年，日本的 Hvon 教授设计了能够跳跃的单足机器人，模仿狗的后腿, 运用一个弹簧作为肌腱。通过弹簧提供推动力实现跳跃，并利用肌腱作为落地后的缓冲装置。实验表明，该机构具
6、有一定的跑步和跳跃性能。（2）国内跳跃机器人研究西北工业大学的葛文杰课题组近年来在跳跃机器人方面的研究取得了一些进展。该课题组设计的跳跃机器人采用非对称式齿轮六杆机构作为跳跃腿，通过丝杠传动拉伸弹簧。该机器人总质量为 620g，跳跃高度为 30-45cm。随后该课题组对上述机器人进行改进，采用齿轮五杆机构作为跳跃腿部机构，并添加姿态调整装置，该机构跳跃高度为 20cm。哈工大赵杰课题组的王猛等人在研究青蛙跳跃的基础上采用齿轮五杆机构作为机器人的跳跃腿，前肢含有一个被动自由度，采用伺服电机控制前肢的运动，使其在起跳阶段可以进行姿态调整，并且落地时具有一定的缓冲功能。该机器人长 25 cm，宽 1
7、8cm，高6cm，质量约为 2.2 kg 。该机器人跳跃高度约为 34.5 cm。3、发展趋势四足步行机器人作为足式机器人的重要组成部分，近年来，各工业发达国家都将其作为具有战略意义的前沿技术，投入巨资支持开展研究工作。美国 Boston Dynamics 公司研究 BigDog 的成功，在世界上掀起了研究具有实用性自律移动机器人的新高潮。我国也非常重视高性能四足仿生机器人的开发。国家 863 计划先进制造领域于 2010年发布了“高性能四足仿生机器人”主题项目指南，吹响了“十二五”期间我国高性能四足机器人技术攻关的号角。与国际同行相比，我国高性能四足机器人的研究和开发还处于起步阶段。围绕我国
8、开发高性能四足仿生机器人的总体目标，本项目提出对具有储能功能的变机体模块化四足仿生机器人构型进行研究，以丰富四足步行机器人的运动构型，提高步行机器人的运动性能。4、项目的市场分析和项目的市场定位四足步行机器人是一种智能型机器人，它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技。在崎岖路面上，步行机器人优于轮式或履带式车辆。步行机器人腿式系统具有很大的优越性：较好的机动性,崎岖路面上乘坐的舒适性，对地形的适应能力强。所以，这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业，有非常广阔的应用前景，多足步行机器人技术一直是国内外机器人
9、领域的研究热点之一。随着多足步行机器人技术的不断成熟与完善，这类机器人将在国民经济和国防建设等许多行业有着越来越广泛的应用。仅就单一的移动功能而言，多足步行机器人能够完成在各种非结构环境中的运输任务，如崎岖路面的运输、建筑物内的搬运（包括有台阶的场合）等。特别是近年来，国内外不少学者研究了新型多足步行机器人，并不断开发多足步行机器人的作业功能，如此一来，多组步行机器人不仅仅是移动平台，而且是一种功能设备，在众多行业中有着许多潜在的应用前景。该步行机器人可以满足某些环境和任务的需要，同时简化机器人的结构和控制，降低研制和使用成本。（二）研究内容及目标项目研究开发内容和目标（1）具有弹跳功能的腿的
10、机构综合及新构型设计研究具有组合机构、复杂机构系统特征的四足仿生机器人腿部机构综合方法。图 1 具有弹跳功能的腿的设计该机器人腿部由臀关节、大腿关节、小腿关节组成，其三维模型如图 1 所示。为优化腿部结构，减轻腿部质量，该具有弹跳功能的腿部结构具有如下特点：设置该腿由两个电机驱动，分别驱动臀关节和大腿关节；该机构可以减小电机数量， 1降低控制系统的难易程度。大腿关节安装弹跳储能机构，该弹跳储能机构与大腿关节并行放置安装；该机构利用 2弹簧进行储能，使腿部初步具备弹跳功能。驱动电机安装在机架上，其中臀关节驱动电机通过法兰与臀关节直接相连，储能机构 3驱动电机通过驱动博登拉线拉动弹簧，进而对储能机
11、构进行储能；电机安装在机架上，可以减轻腿部结构质量，进而提高腿的动力学性能。（2）具有储能功能的变机体模块化四足仿生机器人的 ADAMS 仿真分析将所建立的 SolidWorks 模型导入仿真分析软件 ADAMS 中，添加各部分动力及约束，对具有储能功能的变机体模块化四足仿生机器人进行动力学仿真分析。将仿真分析的结果与动力学建模分析结果相比较，以验证动力学建模的正确性。（三）实施方案及要解决的关键问题1、关键技术（1）具有弹跳功能的腿的机构综合及新构型设计设置该腿由两个电机驱动，分别驱动臀关节和大腿关节；该机构可以减小电机数量， 1降低控制系统的难易程度。大腿关节安装弹跳储能机构，该弹跳储能机
12、构与大腿关节并行放置安装；该机构利用 2弹簧进行储能，使腿部初步具备弹跳功能。驱动电机安装在机架上，其中臀关节驱动电机通过法兰与臀关节直接相连，储能机构 3驱动电机通过驱动博登拉线拉动弹簧，进而对储能机构进行储能；电机安装在机架上，可以减轻腿部结构质量，进而提高腿的动力学性能。（2）具有弹跳功能的腿的 ADAMS 仿真分析将所建立的 SolidWorks 模型导入仿真分析软件 ADAMS 中，添加各部分动力及约束，对具有弹跳功能的腿进行动力学仿真分析。（四）计划进度项目实施的计划进度2015.012015.07 完成具有弹跳功能的腿结构特征及构型分析；以及完成结构的优化及系统结构设计；2015.082016.02 建立新的具有弹跳功能的腿的样机模型；2016.032016.08 撰写相关学术论文；2016.092016.12 项目总结、资料汇总、结题。（五）经费预算资料费 400 元 说明： 图书、图纸及材料打印 材料费 5600 元 说明： 舵机、控制器、导线、板材、轴承、等 上机费 0 说明： 研究生有免费上网账号 其它 4000 元 说明： 加工费 （六）指导老师意见指导老师：（七）申报单位意见：院（系）科技活动领导小组（签名）年 月 日（八）专家评审意见：专家签名： 年 月 日（九）校大学生科技活动领导小组意见：校大学科技活动领导小组（章）年 月 日（此表正反两页打印）
