1、 仿蝗虫四杆式跳跃机器人设计 1引言： 随着电子计算机的发明，人类文明的发展进入了一个高速发展的时期。电子计算机的出现为各种科学研究提供了很大的帮助，而且为机器人这种自动化产物的发展提供了方便。自从第一台机器人的出现，机器人的发 展十分的迅速，发展到现在已经经历了多个发展阶段。所以机器人的发展阶段可以分为第零代的原始机器人，第一代的示教（工业）机器人、第二代感知（遥控）机器人、第三代智能机器人和第四代仿生机器人。从机器人的角度来看，仿生机器人将是机器人发展的最高阶段。 2机器人的发展状况及其研究成果 随着人类社会的发展，许多的工作区域的环境已经并不适合人类进入，或者说是人类不能进入进行作业。在
2、军事上的一些无人作战武器的需要，在人类探索太空中的失重和无氧状态下，建设航天站、抢险救灾等不适合人类的任务，这就需要适合的机器人来进行替代。 然而，随着机器人的快速发展，机器人的灵活性也越来越好，创造出来的机器人也具有高精密、高速、高效率，机器人也越来越能代替人类在恶劣环境、复杂地形和危险地带等情况下进行工作，减少人类从事危险性工作。 目前机器人主要有两种运动方式，一种是靠轮子或履带驱动；另外一种是仿生的爬行或步行方式。但是无论是轮子或履带驱动的机器人还是爬行或步行机器人都无法在遇到与自身大小相当的障碍物的情况下越过障碍物。跳跃机器人与轮式或步行机器人相比，具有运动范围大、越障能力强和躲避危险
3、快等特点。 在自然界中蝗虫、蟋蟀、袋鼠等生物都拥有超强 的弹跳的能力，能够轻易的越过超过自身尺寸数倍的障碍物。目前对仿生跳跃机器人的研究主要是针对连续跳跃的。虽然连续跳跃的频率快，但它不能根据情况及时改变姿态，实现准确的跳跃。蝗虫的跳跃是采用间歇跳跃的方式，并且跳跃能力极强。蝗虫在跳跃过程中展现出来的驱动能量效率是十分巨大的，要对蝗虫进行研究，并将研究成果用于仿蝗虫机器人的研制，这对于促进仿生跳跃机器人的技术的成熟和发展有着重要的意义。 美国卡内基梅隆大学的模仿袋鼠的弓腿跳跃机器人，重 2.5g，腿长 25cm，重 0.75g，采用 1000NM/kg 的单向玻璃纤维合成 物作弓腿，被动跳跃时
4、能量损失只有 20%30%，最1 高奔跑速度是高于 1m/s 的 4。 在国内上海交通大学杨煜普、耿涛、郭毓等人提出了一种新型翻转跳跃运动的单腿机器人机构。这是一种全新的运动方式 周期性的翻转跳跃运动。这种新的运动方式有两个明显的优点，一个是在起跳阶段它的动力学模型可以简化成一个 2 个关节的操作臂（如图 1），从而有效的利用应用于高速机器人操作臂的控制方法。再一个是这种单腿机器人在跳跃阶段不需要任何主动控制或驱动，这种策略有利于降低能耗。一个完整的翻转跳跃周期由两个行走阶段和两个飞行阶段组成。但是， 这里只是对机器人的轨迹规划进行额研究，对于机器人的稳定性却没有进行讲述，稳定性应该比单纯的轨
5、迹规划（如图 2）具有更加重要的现实意义，这是不能回避的一个问题 5。 图 1 单腿机器人结构图 图 2 一个完整的翻转跳跃运动周期 前面几种机器人的研究中，研究者都没有考虑生物体脚部柔性的特点，和地面的接触也只是点接触。基于对袋鼠结构及跳跃运动特点的研究，西北工业大学机电学院的李向阳、葛文杰、杨方等人设计了具有柔性脚的仿袋鼠跳跃机器人单腿机构模型，建立相应的方程并进行仿真实验。得出模 型跳跃的起跳时间约占着地时间的 2/3，当柔性脚与地面接触长度最大时，地面作用力也达到最大；裸关节的输入力矩要大于髋关节的输入力矩。这里形成的仿生机器人的研究方法对其他仿生机器人也有一定的指导意义和参考价值 6
6、。 2 图 3 仿袋鼠机器人单腿跳跃刚性模型 图 4 仿袋鼠机器人单腿跳跃柔性模型 袋鼠具有一双有一定储能作用的柔性大脚，它对减缓落地时的冲击和震动，提高跳跃的稳定性，推迟解除与地面的约束，增大越远度都有很重要的作用。袋鼠是以双脚跳跃的模式来进行高速跳跃的，随意可以将其简化成为单腿跳跃 的模型来加以研究。袋鼠的头和尾巴在跳跃过程是起到平衡和运动稳定的作用的，可以将他们的质量计算到去干的质量中，并将之简化成一个刚体。依据仿袋鼠生物体的运动机构和跳跃运动特点，利用扭转弹簧模拟其相关柔性和肌肉的储能作用，西北工业大学的葛文杰、沈允文、杨方等人提出仿袋鼠柔性机器人的伪刚体机构模型 7。 图 5 袋鼠运
7、动结构 西北工业大学的葛文杰、沈允文、杨方等人依据仿袋鼠生物体的运动机构和跳跃运动特点，利用扭转弹簧模拟其相关柔性和肌肉的储能作用，提出仿袋鼠柔性机器人的伪刚体机构模型。建立着地和腾空两个阶段的 运动学方程，给出在跳跃过程中的运动姿势和去干质心的运动轨迹的表达式，然后结合实例进行一系列仿真分析运算。研究结果与录像观察和生物学实测研究结果相吻合 8。 3 图 6 仿袋鼠跳跃机器人机构模型简图 结论： 近年来，我国工业生产、储运过程中涉及的各种危险物品正在迅速增加，由于设备及管理等方面的原因，导致的事故隐患会越来越多，所以对跳跃机器人的要求越来越高。机器人代替人类从事危险的救灾任务将会大大减轻人的
8、压力。弹跳机器人还可以应用与考古、星际探索、军事侦查以及反恐任务等。但是，对于这些艰难的任务普通的轮式机器人是 无法满足这种要求的，所以迫切需要研制具有弹跳能力的机器人。可是由于关于机器人的技术实在过于复杂，机器人虽然发展了近 50 年，可机器人还远远没有达到如人们所期望的那样。但是各种技术的发展，如计算机和传感技术，这为机器人的发展提供了极大的方便，相信机器人会越来越完美的出现在人们的视线中。 参考文献 1吉爱红，戴振东，周来水编著，仿生机器人的研究进展，机器人， 2005 年 5 月 2陈勇，陈东辉，佟金，陈秉聪编著，仿蝗虫机器人运动形态的三维动态仿真，农业机械学报， 2007 年 9 月
9、 3刘壮志，席文明，朱剑英， 吴洪涛编著，弹跳式机器人研究，机器人， 2003 年 11 月 4许宏岩，付宜利，王树国，刘建国编著，仿生机器人的研究，机器人， 2004 年 5 月 5杨煜普，耿涛，郭毓编著，一种新型翻转跳跃运动机器人的运动结构与轨迹规划，上海交通大学学报， 2003 年 7 月 6李向阳，葛文杰，杨方编著，考虑脚部柔性的仿袋鼠跳跃机器人运动特性研究，机器人， 2006 年 6 月 4 7葛文杰，沈允文，杨方编著，仿袋鼠柔性跳跃机器人的驱动力特性研究，西北工业大学， 2005 年 7 月 8葛文杰，沈允文，杨方编著，仿袋鼠机器人跳跃运动步态的运 动学，机械工程学报，2006 年
10、 5 月 9Koditschek D E,BuhlerM.Analysis of a simplified hopping robotJ.International Journal of Robotics Reseach,1991,10(6): 587-605. 10VakakisA F,Burdick JW,Caughey T K. An “interesting” strange attactor in the dynamicsofa hopping robotJ.The Internationl Journal of Robotics Research,1991,10(10): 606-618.
