1、毕业论文 文献综述 机械设计制造及其自动化 仿蝗虫式探测性跳跃机器人 一、 引言 目前地面移动机器人的运动方式主要有轮式、履带式，并且它们在军事和星际探索上已经得到了广泛的应用，但轮式和履带式机器人却有越障能力差和能耗大的缺点。除了这两种传统的运动方式 ,近四十年来，人们把目光对准了生物界 ,在 35 亿年的进化过程中 ,生物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式 ,这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。科学家们向生物学习 ,创造出了众多高性能的仿生机器人，尽管现在大都处于实验室样机状态。目前仿生机器人的主要运动方式为爬行或步 行 ,如蛇形机器人、机器猫、机器狗等。步行或爬行机器人自由度多 ,控
2、制复杂 ,运动缓慢 ,而且遇到障碍物同样无能为力。跳跃机器人在地面上的活动能力与其他运动方式相比有很大的优势，特别是受生物跳跃运动的启发，仿生跳跃机器人更是有着常规机器人所不具备的运动特性，其强大的越障能力，极快的跳跃速度、强大的地面适应能力、广阔的移动范围，为它在星际探索、反恐、军事以及仿生学的发展提供了良好的发展前景。 二、 研究现状 当前主要在美国和日本存在一些机构进行弹跳机构的研究，但研究目的与方式有所不同。日本跳跳机器人主要研究的是机 器玩具与机器宠物，美国则主要偏向于太空探索与军事应用服务，关于弹跳的理论研究集中于连续弹跳运动动态稳定性的非线性动 力学分析 10。其基本模型为一活塞
3、连杆机构 (图1)，有一个 X 方向的平移自由度以及足部和身体之间的旋转自由度， M H Raibert 专门著书论述了这一模型 1。 图 1 弹跳机构理想模型 目前实际弹跳机构构造有两类方法，一类方式是利用简单机构产生弹力，这种方法机构自由度少，动力学模型简单，实现相对容易。根据能量积累方式的不同可分为钟摆型，弹射型，混合型等。另一类是从自然界生物的弹 跳动作中获得启发，进行仿造，称为仿生弹跳机构。如机械蟋蟀与机械猫等 14 。 仿生法特点是多自由度、多关节协同动作完成弹跳及爬行动作。关节自由度多，动力学模型复杂，难以实现稳定的运动。因此1 仿生机构目前只是处于理论分析与技术预研阶段。 跳跃
4、机器人必须对能量进行高效的吸收利用，比如落地碰撞产生的能量以及从高处下落过程中和越过沟壑时积蓄能量。另外，由于机器人在跳跃后可能陷入沟渠，或者两个驱动轮离地，使其不能移动，这时需要机器人跳出困境，这就需要气缸能够回到垂直方向。因此还需要电机来驱动气缸转动使其能够回到垂直方向， 然后通过静止跳跃跳出，达到拜托困境继续前进的目的。由于使用的是气缸跳跃，机器人身上装有两个气罐，里面是高压空气，由于使用的气源是一次性的，因此为了机器人你跳跃次数更多，行程更远，那么就要对不同的障碍物采用不同的跳跃高度，以节省气源。因此有必要研究机器人的跳跃高度控制以及如何提高最大跳跃高度。机器人的跳跃是被限制在垂直方向
5、，从高压气体注入气缸到机器人跳跃最高点，分为 3 个过程，分别为活塞不动气缸向上运动，气缸和活塞发生能量传递，气缸和活塞一起运动到最高点，不难想象，机器人的质量分配和气缸的内腔面积等对跳跃高度都 有影响，因此需要找出最佳的缸体形状。在保证总体小型轻量的前提下，通过实验来研究最佳的结构跟质量分配以达到最大的跳跃高度。 另外随着近期反恐、战场侦察的需要，国外很多研究机构又开始从事微小弹跳机构的研究，并且陆续研制出一些原型实验机。典型样机有喷气推进实验室（ JPL）的 Hopper（图 2）和日本宇宙科学研究所（ ISAS）的 MINERVA（图 3）。特点是结构形式脱离了“附着”的概念，执行器最少
6、，体积小，重量轻，结构紧凑。环境适应性强。越障性能好；但着陆姿态不好预测，对机械结构耐用性要求高，需要特别的初始姿态恢 复装置等。 图 2 Hopper 图 3 MINERVA 图 4 双弹簧式平衡机构 双弹簧式平衡机构履带式机器人 Resquake 采用双弹簧式平衡机构（图 4） 2-8。悬挂系统附带一对线性弹簧通过滑动轴承分别铰接于机体两侧。当无外力作用时，悬挂系统能够保持固定姿态；否则，悬挂系统将能在弹簧的辅助下调节位姿适应地形。该平衡机构增强了机器人在崎岖地面上的适应性和稳定性，减弱了由于碰撞引起的振动。 2 将蝗虫放在一个顶部装有日光灯的透明 玻璃箱中，玻璃箱尺寸为 2000 80
7、1500。采用高速摄像机（ FASTCAM 10K Model 500 型）进行拍摄，实验过程中拍摄频率为 500 帧 /S 。图 5 是黄胫小车蝗跳跃过程的几个典型图片。黄胫小车蝗跳跃特征如表 16。 表 1 黄胫小车蝗的结构参数 仿蝗虫机器人的后腿主要起支撑作用， 其受力明显比其他腿大得多，并且在有加速度的条件下，附加力矩增大。后腿的最大受力为 2.25N，平均受力为 1.22N。前、中腿受力较小，最大受力为 0.73N，平均受力为 0.33N。 图 5 蝗虫跳跃 过程的典型图片 图 6 反映了仿蝗虫机器人腿部各个关节附加动力矩的变化趋势、最大值和最小值。任何执行机构所能提供的动力矩都在一
8、定范围内 ， 而进行机构设计时所预期得到的力矩必须在这个范围内才能保证跳跃的合理性和可行性。 移动性能是未来机器人在很多应用场合的关键能力，为完成任务，常常要求机器人能够渗透到人员无法进入的禁区进行侦查、探测、攻击、干扰等行动，需要移动能力给予保证。 图 6 仿蝗虫机器人各关节的作用力曲线 3 三、 结论 与轮式、足式移动机器人比较，仿生跳跃机器人具有一些独特的优势。但作为一种新型移 动机器人，跳跃机器人研究仍处于早期的研发阶段，研究重点主要集中在驱动方式的验证与机器人结构的设计与改进，而跳跃机器人本身潜在的运动性能和优势没有得到最大程度上的发挥，已经投入使用的跳跃机器人也很少。因此如何提跳跃
9、形机器人的运动性能，增加其运动方式以拓展实际应用领域，成为当前主要研究任务。 参考文献 1 Raibert M H Legged r o b o t 8t h a t b a l a n c e M T h et ,MIT Press， Cam-bridge MA,1986 2 谭定忠 ,王叶兰 ,王启明 ,曹日起 .弹跳式机器人的发展现状 J.机械人技术 ,2005,(10)： 30-31. 3 杨煜普 ,耿涛 ,郭毓 .一种新型翻转跳跃运动机器人的运动结构与轨迹规划 N.上海交通大学学报 , 2003, 37 (7). 4 余杭杞 .仿蝗虫四足跳跃机器人的机构设计和运动性能分析 D.哈尔滨
10、： 哈尔滨工业大学， 2006. 5 TaniK, ShiraiM.A jumpingmachine using the energy stored in springsJ.International Symposium on Theory of M achines and M echanism sm,1992, (1)： 265-270. 6 陈 勇 陈东辉 佟 金 陈秉聪 . 仿蝗虫机器人运动形态的三维动态仿真 D.吉林：吉林大学， 2005. 7 刘剑 . 连续弹跳式机器人的动力学分析及其控制的研究 D. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2007. 8 郁万春 . 仿蝗虫机器人弹跳机理及模型
11、研究 D. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2007. 9 HC Wong,DE Orin.Dynamic Control of a Quadruped Standing Jump.in Proc.of IEEE International Conference on Robotics and Automation.vol.3,(Atlanta,GA), May 1993.pp.346-351 10 Raibert M.H Dyns_miestability and le80llalrlC C in a leggedhopping machineA Conference On Theory and
12、 Practice of Robots and, la-tnipulators C 1 9 8 3 3 5 2 3 6 7 11 刘延柱 ,周祥玉 .原地跳跃的动力学问题 .上海交通大学学报 .第 21 卷第 3 期， 1987 12 刘延柱 .跳跃运动的定性理论 .力学学报 .第 26 卷，第 4 期， 1994 年 7 月 13 刘壮志 ,朱剑英 ,吴洪涛 ,席文明 .间歇性单足弹跳机器人落地冲击及稳定性 分析 .机械科学与技术 .第 23 卷，第 9 期， 2004 年 9 月 14 刘壮志，席文明，朱剑英，吴洪涛 .弹跳式机器人研究 ( 南京航空航天大学机械电子工程研究所 ， 江苏 南京 2 1 0 0 1 6 )
