【正文】 進展 ............................................................... 28 三、譯文及原稿 .............................................................. 29 譯文題目 可控微型跳躍機器人 .............................................. 29 可控微型跳躍機器人 .......................................................... 29 1 簡介 .................................................................. 29 2 設計方法 .............................................................. 32 跳躍機構(gòu) ........................................................ 33 復位機構(gòu) ......................................................... 34 操縱機構(gòu) ........................................................ 35 3 實施 .................................................................. 37 浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 5 跳躍機構(gòu) ........................................................ 38 復 位機構(gòu) ........................................................ 39 操縱機構(gòu) ........................................................ 40 集成 ............................................................ 40 跳躍參數(shù)的調(diào)整 .................................................. 43 4 結(jié)果 .................................................................. 44 籠子的成本 ...................................................... 44 起跳參數(shù)的調(diào)整 .................................................. 45 障 礙情況下的行進 ................................................ 46 5 總結(jié) .................................................................. 47 6 結(jié)論 .................................................................. 48 參考文獻： .............................................................. 48 文獻原文 一、 文獻綜述 仿生學（ bionics）是上世紀 60 年代興起的一門學科，以昆蟲為對象的仿生學研究和應用一直是國內(nèi)外的研究熱點之一。近年來，隨著仿生機器人技術(shù)的發(fā)展，模仿動物的肢體或按動物跳躍運動機理設計的仿生彈跳機構(gòu)日益受到人們的關注。跳躍運動可以越過數(shù)倍于自身的障礙物，若與原有運動方式（如輪式機構(gòu)）結(jié)合可以大大提高機器人的活動空間與自主性，且易于微型化，活動能力更強，在考古、反恐、戰(zhàn)場偵察等領域有著廣闊的應用前景。在外星際探測中，月球與火星表面的重力加速度大大低于地球（火星 38%，月球 17%）。因此，跳躍機 構(gòu)在這種低重力的外星際探索中極具優(yōu)勢，早在 1969 年美國就提出了研制彈跳機構(gòu)用于月球探測。 1 跳躍理論優(yōu)勢 自然界各物種體積差別很大。因此在研究對比動物運動中以每秒移動單位身長數(shù)作為衡量速度的標準更為科學。以此為標準自然界中速度最快的是北美地區(qū)的更格盧鼠。通過雙腳跳躍移動速度能達到 80 身長／ s。 設跳躍機器人足長為 l ，機器人外形尺寸與足長成一定比例關系，記為 ： 浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 6 d∝ ， 可推得 ： mg∝ （ 1） 設機器人足的最大屈服應力為 ： maxF 。 即為機器人足與接觸面間的最大受力。該力與接觸面積即 2l 成正比，記為 ： maxF ∝ 2l ， 與 (1)式聯(lián)立可得 ： mgFmax ∝ 由 (2)式可推得，當體積縮小時，體積相關的力 (如重力 )較面積相關的力 (如表面接 觸力 )減小更快，這造成了最大輸出力與自身重力比即起跳時的最大加速度的不同。從表 1的生物學統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以亦看出這一趨勢。因此無論是自然界中的小體型動物還是人造小型機器人。采用跳躍方式比大型動物／機器人有更高的效率和優(yōu)勢。 在討論跳躍的優(yōu)劣中有必要引入弗勞德系數(shù)，定義如下 ： glvFr2? （ 3） 式中： g為重力加速度； V 為水平向前速度； l為質(zhì)心到支撐點長度（實際中可以理解為機器人或動物的足長）。在跳躍物與地面接觸階段，弗勞德系數(shù)可理解為向心力和重力之比，理論上 Fr超過 1 時，支撐足產(chǎn)生的向心力超過重力，所支撐的物體將騰空。弗萊德系數(shù)亦可被理解為動能和勢能之比，通過實際觀測，當 Fr 超過 時，動物步態(tài)從爬行轉(zhuǎn)為奔跑，當 Fr 逐步增大超過 1后，重力作用無法抵消動能，每次跳躍長度和高度將增加，騰空時間進一步增加，步態(tài)從奔跑逐漸向跳躍轉(zhuǎn)變。 假設物體 1與 2有以下關系 ： 浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 7 212121FFttll?????? （ 4） 式中： il 、 it 與 iF 分別為 2兩物體的長度、受力時間和所受外力， im 、 iv 、ia 分別為兩物體質(zhì)量、速度和加速度，存在以下比例關系 ： im ∝ 3il ， ia ∝ 2iitl （ i=1,2） （ 5） (5)式結(jié)合牛頓第二定理可推導得 ： 2222211211241FlvmFlvm ????? (6) 在跳躍運動中，重力為物體主要受力，因此（ 6）式可表示為 glvglv 222121 ? （ 7） 由此可見跳跳躍的產(chǎn)生不僅由速度決定。與質(zhì)心到支撐點長度也有關系?？梢酝ㄟ^縮短長度提高弗勞德系數(shù)，以達到跳躍狀態(tài)。隨著外形尺寸的縮小，跳躍長度會增加，這與動物觀測結(jié)果相同，體型更小的動物跳躍單位身長更長。 表 1 各型生物最大輸出力與自身重力比 生物種類 最大輸出力 /重力 人 3 更格盧鼠 8 蚱蜢 13 跳蚤 135 沫蟬 400 浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 8 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 明尼蘇達大學的機器人中心的 Stoeter與 20xx年研制了一個重 200克的利用卷在它的身體周圍的彈簧來跳躍的輪式系統(tǒng)（圖 1）。機器人在跳躍前被轉(zhuǎn)動來確保朝確定的方向行進。 圖 1 樓梯跳躍機器人 意大利圣安娜高等研究學院 CRIM 實驗室 Dario 教授領導的課題組于 20xx 年研制了 Grillo 微型跳躍機器人 (圖 2)。采用 4 根彈簧作為保持穩(wěn)定的前足，帶有彈簧驅(qū)動器的后足提供彈跳動力。整體重量僅 15g，前進速 度可達 1． 5m/s。 圖 2 Grillo 微型跳躍機器人結(jié)構(gòu) 巴黎高等聯(lián)邦理工學院的智能系統(tǒng)實驗室 JeanChristophe Zufferey教授領導的課題組于 20xx 年研制了籠式 EPFL 跳躍機器人（圖 3）采用四桿腿部跳躍機構(gòu)并能完浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 9 成跳躍、依靠重力及外部籠來復位、調(diào)節(jié)跳躍角并重新起跳的全過程，重 14g、高 18厘米，最大跳躍高度可達 62 厘米。 圖 3 籠式 EPFL 跳躍機器人 國內(nèi)諸多高校也對跳躍機器人展開了一定的研究。南京航空航天大學研制了具有跳躍能力的輪式移動機器人，采用六 連桿式蓄能機構(gòu)。通過電機旋轉(zhuǎn)壓縮和釋放實現(xiàn)跳躍還裝有前輪角度調(diào)節(jié)電機實現(xiàn) 0176?！?90176。之間不同的起跳角度。哈爾濱工業(yè)大學做了仿青蛙跳躍機器人的運動學研究。西北工業(yè)大學根據(jù)袋鼠跳躍做了多剛體及多剛體添加柔性單元的模型建立與分析。上海交通大學的楊繪宇等人進行了仿蝗蟲跳躍機器人起跳過程運動學建模及分析，該模型抽象為平面剛性連桿機構(gòu)，采用機器人運動學分析的 D－ H 法，建立了各構(gòu)件之間的運動學關系。 3 彈跳機器人的彈跳機構(gòu)及幾種動力學模型分類 目前實際彈跳機構(gòu)構(gòu)造有兩類方法，一類是從自然界生物的彈跳動作中獲得啟發(fā)，進 行仿造，稱為仿生彈跳機構(gòu)．如機械蟋蟀與機械貓等。 另一類方式是利用簡單機構(gòu)產(chǎn)生彈力，這種方法機構(gòu)自由度少，動力學模型簡單，浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 10 實現(xiàn)相對容易．根據(jù)能量積累方式的不同可分為鐘擺型、彈射型、混合型等。 人在跳躍過程中，手臂擺動方向與腿部彈跳方向相反．手臂運動類似于鐘擺運動．依靠關節(jié)臂擺動產(chǎn)生的離心力實現(xiàn)彈跳，稱為鐘擺型彈跳機．通過研究鐘擺型彈跳機可以確定手臂擺動在彈跳過程中所起的作用． 根據(jù)鐘擺原理，采用多個擺動關節(jié)設計的跳躍機可以進行彈跳、控制方向、上下樓梯等動作．但是這種機構(gòu)中離 心力不是瞬問釋放，其能量部分推動彈跳，而且著陸過程中的能量無法被下一次彈跳所利用，在有限能量供應的自主系統(tǒng)中將大大縮減持續(xù)運行時間．因此鐘擺機構(gòu)一般只能作為彈跳運動的輔助方式或用于彈跳機構(gòu)空中姿態(tài)平衡． 鐘擺型跳躍機構(gòu) 將上端固定有質(zhì)量塊的彈簧壓緊，然后突然松開，在彈力的推動下彈簧與質(zhì)量塊會彈到空中，這就是現(xiàn)在大多數(shù)彈跳機構(gòu)的原型，這種機構(gòu)一般由電機、彈性體與鎖定／觸發(fā)裝置構(gòu)成．電機通過某種運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)壓緊彈簧；彈性體是機構(gòu)能量存儲部件；小而輕的觸發(fā)裝置控制彈性體瞬間釋放能量． 這種彈射機 構(gòu)將能量緩慢積累至一定程度然后瞬間釋放，完成彈跳動作．較其它方式能量利用效率高．但其運動是間歇性的，每次彈跳需要一段時間積累能量，因而不夠靈活． 浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 11 單足彈跳機構(gòu)（簡化圖） 西北工業(yè)大學的葛文杰、夏旭峰進行了基于彈簧 — 質(zhì)量模型的仿袋鼠跳躍機器人步態(tài)穩(wěn)定性研究。 跳躍彈簧單質(zhì)量模型 北京航空航天大學 ,對單足跳躍機器人進行運動學分析 ,建立了機器人在著地階段和騰空階段的動力學模型。 單足跳躍模型 浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 12 著地階段的彈簧雙質(zhì)量模型 彈簧雙質(zhì)量模型（垂直 ） 此模型只考慮了垂直彈跳，實際機構(gòu)運動時要水平速度分量，需要能夠在空中主動地調(diào)整姿態(tài)，以避免落地時 m1 與 m2 均與地面碰撞而造成前一次彈跳中所有能量都損失掉。雙質(zhì)量模型彈跳機構(gòu)主要采用被動方式。有的將機構(gòu)重心降低，并用護罩保護，類似不倒翁。但由于底部質(zhì)量增加，系統(tǒng)彈跳效率因此降低，彈跳高度有限；有的機構(gòu)采用落地碰撞并翻轉(zhuǎn)后，通過矯正機構(gòu)來恢復彈跳姿態(tài)。這種方式使彈跳間隔時間較長，運動不太靈活。 浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 13 西北工業(yè)大學的葛文杰、詹望進行了仿袋鼠跳躍機器人多剛體動力學研究。 多剛體模型 西北工業(yè)大學的岳映章、葛文杰進行了仿袋鼠跳躍機器人的剛?cè)峄旌辖＿\動步態(tài)分析。 多剛體添加柔性模型 浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 14 添加柔性的剛體模型相比剛體模型具有以下幾個特點 :(1) 提高機器人落地穩(wěn)定性。這一特性有助于機器人減緩踝關節(jié)所受軀干等其他構(gòu)件下落的慣性力和引起的沖擊力 ,同時也可減小軀干質(zhì)心運動在這一階段的上下波動而使其保持平穩(wěn)落地 ,從而有利于減小腳與地面的反力和彈跳能的消耗。而剛性腳踝關節(jié)軌跡為一段圓弧 ,這不僅不能緩減地面反力的大小 ,相反 ,還因踝關節(jié)需要克服軀干等其他構(gòu)件下 落的慣性力且作上升運動而加大了地面的反力、沖擊和能量的消耗。 (2) 增大機器人躍遠度。由于柔性腳具有儲能特性 ,在機器人落地時柔性腳將落地的沖擊轉(zhuǎn)化為彈性勢能并在起跳階段將勢能轉(zhuǎn)化為動能釋放。從步態(tài)軌跡上看 ,柔性腳踝關節(jié)軌跡在起跳階段迅速上升 ,