【正文】 沈允文，楊方 仿袋鼠機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué) 機(jī)械工程學(xué)報(bào) [10]楊文綱，陸震 單足跳躍機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與仿真 機(jī)械與電子，[11]路甬祥．仿生學(xué)的意義與發(fā)展．科學(xué)中國(guó)人，2004: 2224.[12]Mirko Kovaˇc ， Manuel Schlegel ，JeanChristophe Zufferey ， Dario Floreano Steerable miniature jumping robot Auton Robot (2010) 28: 295–306[13]Xin Fu, Fei Li, Weiting Liu, Cesare Stefanini, Paolo Dario Design of a Bionic Saltatorial Leg for Jumping Mini Robot H. Liu et al. (Eds.): ICIRA 2010, Part I, LNAI 6424, pp. 477–487, 2010.[14]Umberto Scarfogliero, Cesare Stefanini, Paolo Dario The use of pliant joints and elastic energy storage in bioinspiredlegged robots Mechanism and Machine Theory 44 (2009) 580–590[15]Stoeter, S. A., Rybski, P. E., amp。大部分輪式機(jī)器人僅能跨越與輪直徑相近的障礙。這就需要在跳躍機(jī)器人中加入自動(dòng)控制系統(tǒng)。提高運(yùn)動(dòng)效率，并提供接地緩沖功能。如青蛙在彈跳時(shí)瞬間輸出力是后肢肌肉平均輸出力的7倍。從步態(tài)軌跡上看 ,柔性腳踝關(guān)節(jié)軌跡在起跳階段迅速上升,提高了機(jī)器人的起跳速度 ,進(jìn)而增大跳躍機(jī)器人的躍遠(yuǎn)度。這一特性有助于機(jī)器人減緩踝關(guān)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(shí)也可減小軀干質(zhì)心運(yùn)動(dòng)在這一階段的上下波動(dòng)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。這種方式使彈跳間隔時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)不太靈活。單足跳躍模型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(shí)際機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)要水平速度分量，需要能夠在空中主動(dòng)地調(diào)整姿態(tài)，以避免落地時(shí)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。3彈跳機(jī)器人的彈跳機(jī)構(gòu)及幾種動(dòng)力學(xué)模型分類目前實(shí)際彈跳機(jī)構(gòu)構(gòu)造有兩類方法，一類是從自然界生物的彈跳動(dòng)作中獲得啟發(fā)，進(jìn)行仿造，稱為仿生彈跳機(jī)構(gòu)．如機(jī)械蟋蟀與機(jī)械貓等。之間不同的起跳角度。圖3 籠式EPFL跳躍機(jī)器人 國(guó)內(nèi)諸多高校也對(duì)跳躍機(jī)器人展開了一定的研究。圖1樓梯跳躍機(jī)器人意大利圣安娜高等研究學(xué)院CRIM實(shí)驗(yàn)室Dario教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組于2006年研制了Grillo微型跳躍機(jī)器人(圖2)?？梢酝ㄟ^(guò)縮短長(zhǎng)度提高弗勞德系數(shù)，以達(dá)到跳躍狀態(tài)。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(guò)1時(shí)，支撐足產(chǎn)生的向心力超過(guò)重力，所支撐的物體將騰空。從表1的生物學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以亦看出這一趨勢(shì)。通過(guò)雙腳跳躍移動(dòng)速度能達(dá)到80身長(zhǎng)／s。因此，跳躍機(jī)構(gòu)在這種低重力的外星際探索中極具優(yōu)勢(shì)，早在1969年美國(guó)就提出了研制彈跳機(jī)構(gòu)用于月球探測(cè)。指導(dǎo)教師（簽名） 年 月 日目錄一、文獻(xiàn)綜述 41跳躍理論優(yōu)勢(shì) 5 5 62國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 7 7 83彈跳機(jī)器人的彈跳機(jī)構(gòu)及幾種動(dòng)力學(xué)模型分類 9 9 10 144跳躍機(jī)器人的動(dòng)力及穩(wěn)定性控制 155應(yīng)用前景 156參考文獻(xiàn) 16二、開題報(bào)告： 171背景 172調(diào)研報(bào)告 17 17 193研究?jī)?nèi)容 23 23 25 26 263研究方案 274進(jìn)度表 275目前進(jìn)展 28三、譯文及原稿 29譯文題目 可控微型跳躍機(jī)器人 29可控微型跳躍機(jī)器人 291 簡(jiǎn)介 292 設(shè)計(jì)方法 32 跳躍機(jī)構(gòu) 33 34 操縱機(jī)構(gòu) 353 實(shí)施 37 跳躍機(jī)構(gòu) 38 復(fù)位機(jī)構(gòu) 39 操縱機(jī)構(gòu) 40 集成 40 跳躍參數(shù)的調(diào)整 434 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(jìn) 465 總結(jié) 466 結(jié)論 47參考文獻(xiàn)： 47文獻(xiàn)原文一、文獻(xiàn)綜述仿生學(xué)（bionics）是上世紀(jì)60年代興起的一門學(xué)科，以昆蟲為對(duì)象的仿生學(xué)研究和應(yīng)用一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。近年來(lái)，隨著仿生機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，模仿動(dòng)物的肢體或按動(dòng)物跳躍運(yùn)動(dòng)機(jī)理設(shè)計(jì)的仿生彈跳機(jī)構(gòu)日益受到人們的關(guān)注。1跳躍理論優(yōu)勢(shì)自然界各物種體積差別很大。設(shè)跳躍機(jī)器人足長(zhǎng)為，機(jī)器人外形尺寸與足長(zhǎng)成一定比例關(guān)系，記為：d∝，可推得：mg∝（1） 設(shè)機(jī)器人足的最大屈服應(yīng)力為： 。因此無(wú)論是自然界中的小體型動(dòng)物還是人造小型機(jī)器人。弗萊德系數(shù)亦可被理解為動(dòng)能和勢(shì)能之比，通過(guò)實(shí)際觀測(cè)，動(dòng)物步態(tài)從爬行轉(zhuǎn)為奔跑，當(dāng)Fr逐步增大超過(guò)1后，重力作用無(wú)法抵消動(dòng)能，每次跳躍長(zhǎng)度和高度將增加，騰空時(shí)間進(jìn)一步增加，步態(tài)從奔跑逐漸向跳躍轉(zhuǎn)變。隨著外形尺寸的縮小，跳躍長(zhǎng)度會(huì)增加，這與動(dòng)物觀測(cè)結(jié)果相同，體型更小的動(dòng)物跳躍單位身長(zhǎng)更長(zhǎng)。采用4根彈簧作為保持穩(wěn)定的前足，帶有彈簧驅(qū)動(dòng)器的后足提供彈跳動(dòng)力。南京航空航天大學(xué)研制了具有跳躍能力的輪式移動(dòng)機(jī)器人，采用六連桿式蓄能機(jī)構(gòu)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)做了仿青蛙跳躍機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究。另一類方式是利用簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)產(chǎn)生彈力，這種方法機(jī)構(gòu)自由度少，動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)相對(duì)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。雙質(zhì)量模型彈跳機(jī)構(gòu)主要采用被動(dòng)方式。西北工業(yè)大學(xué)的葛文杰、詹望進(jìn)行了仿袋鼠跳躍機(jī)器人多剛體動(dòng)力學(xué)研究。而剛性腳踝關(guān)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(guān)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(yùn)動(dòng)而加大了地面的反力、沖擊和能量的消耗。而剛性腳踝關(guān)節(jié)在起跳階段的軌跡呈下降狀態(tài) ,不利于機(jī)器人的跳躍。瞬間爆發(fā)力主要是由肌腱和肌肉間的彈性提供的。在跳躍過(guò)程中，與地面瞬間接觸力將為重力的數(shù)倍，使空中姿態(tài)和著陸穩(wěn)定性控制難度增加。可使用單片機(jī)與加速度傳感器，通過(guò)讀取加速度傳感器出處，獲知機(jī)器人當(dāng)前平衡狀態(tài)。造成輪式機(jī)器人小型化后會(huì)降低其越障通行能力。 Papanikolopoulos, N. (2002). Autonomous stairhopping with scout robots. In IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems, Vol. 1,pp. 721–726.二、開題報(bào)告：仿蝗蟲跳躍機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析1背景在地球陸地表面，有超過(guò)50%以上的面積為崎嶇不平的山丘或沼澤，僅靠輪式或履帶式機(jī)械無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)在這些自然環(huán)境下的自主移動(dòng)。仿生學(xué)（bionics）是上世紀(jì)60年代興起的一門學(xué)科，以昆蟲為對(duì)象的仿生學(xué)研究和應(yīng)用一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。因此在研究對(duì)比動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中以每秒移動(dòng)單位身長(zhǎng)數(shù)作為衡量速度的標(biāo)準(zhǔn)更為科學(xué)。即為機(jī)器人足與接觸面間的最大受力。因此無(wú)論是自然界中的小體型動(dòng)物還是人造小型機(jī)器人。弗萊德系數(shù)亦可被理解為動(dòng)能和勢(shì)能之比，通過(guò)實(shí)際觀測(cè)，動(dòng)物步態(tài)從爬行轉(zhuǎn)為奔跑，當(dāng)Fr逐步增大超過(guò)1后，重力作用無(wú)法抵消動(dòng)能，每次跳躍長(zhǎng)度和高度將增加，騰空時(shí)間進(jìn)一步增加，步態(tài)從奔跑逐漸向跳躍轉(zhuǎn)變。隨著外形尺寸的縮小，跳躍長(zhǎng)度會(huì)增加，這與動(dòng)物觀測(cè)結(jié)果相同，體型更小的動(dòng)物跳躍單位身長(zhǎng)更長(zhǎng)。北京航空航天大學(xué),對(duì)單足跳躍機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,建立了機(jī)器人在著地階段和騰空階段的動(dòng)力學(xué)模型。有的將機(jī)構(gòu)重心降低，并用護(hù)罩保護(hù)，類似不倒翁。由于實(shí)際的機(jī)器人是很復(fù)雜的，很難用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，必須對(duì)它進(jìn)行合理地簡(jiǎn)化后才能用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。多剛體添加柔性模型添加柔性的剛體模型相比剛體模型具有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1) 提高機(jī)器人落地穩(wěn)定性。由于柔性腳具有儲(chǔ)能特性,在機(jī)器人落地時(shí)柔性腳將落地的沖擊轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能并在起跳階段將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能釋放。3研究?jī)?nèi)容跳躍機(jī)構(gòu)的分析：為了估計(jì)蝗蟲腿部的力的仰角，首先計(jì)算在無(wú)大腿骨及脛節(jié)質(zhì)量的情況下的地面反作用力。地面對(duì)于脛節(jié)的反作用力為： （3），脛節(jié)對(duì)脛節(jié)和大腿骨連結(jié)處的總力矩為： （4）同理，大腿對(duì)脛節(jié)和大腿骨的連結(jié)處的力矩為： （5）對(duì)方程25進(jìn)行聯(lián)立，得： （6）合成加速度的所指方向與仰角方向一致，得：因此，由于腿部伸展的質(zhì)量加速度方向應(yīng)等于平行于大腿骨末端及脛節(jié)末端連線。軸右端的彈簧使軸緊密接觸?，F(xiàn)有的仿蝗蟲跳躍機(jī)器人需要兩個(gè)伺服電機(jī)。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)是多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和機(jī)器人學(xué)的交叉學(xué)科，它的理論研究直接為機(jī)器人工程實(shí)踐服務(wù)。因此要得到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性，就要采用系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行分析。針對(duì)仿蝗蟲跳躍機(jī)器人，可采用拉格朗日法建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，得到了其各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的表達(dá)式，利用Matlab對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真計(jì)算分析，給出相應(yīng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特性線圖，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論。 — 仿蝗蟲跳躍機(jī)器人的細(xì)化設(shè)計(jì)。采用拉格朗日法建立跳躍機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程（尤其是著陸階段），得到其各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩等參數(shù)的表達(dá)式— 對(duì)跳躍機(jī)器人進(jìn)行仿真 、參數(shù)優(yōu)化。5目前進(jìn)展查閱文獻(xiàn)，對(duì)蝗蟲的跳躍機(jī)理有了簡(jiǎn)單的了解。 Manuel Schlegel 為了執(zhí)行在給定方向上的重復(fù)跳躍，重要的是能夠在復(fù)位著陸后能夠被操縱進(jìn)行重新跳躍。關(guān)鍵詞：跳躍機(jī)器人、仿生運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)機(jī)器人、太空機(jī)器人1簡(jiǎn)介在惡劣的地形下行進(jìn)對(duì)于小尺寸的系統(tǒng)是更加困難的。因此許多小動(dòng)物的行進(jìn)策略是跳躍，著陸后保持復(fù)位，重新調(diào)整并且再次跳躍。 Lambrecht et 。 迄今為止，有些能夠著陸后復(fù)位和操縱的跳躍機(jī)器人已經(jīng)被展示（圖二）。 桑迪亞跳躍者（1）（weiss 2001）。簡(jiǎn)約跳躍機(jī)器人（3）(Burdick and Fiorini 2003)。表一總結(jié)了這些機(jī)器人的尺寸、重量和性能值。我們的主要設(shè)計(jì)要求是保持我們結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單和低質(zhì)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后，我們給出了障礙情景下通過(guò)遠(yuǎn)程控制成功和重復(fù)移動(dòng)的原型。怎樣實(shí)現(xiàn)跳躍機(jī)器人的復(fù)位和操縱是本文的重點(diǎn)，我們首先簡(jiǎn)要的描述我們用為跳躍機(jī)構(gòu)的原則然后進(jìn)行評(píng)估怎樣提供復(fù)位和操縱的能力。因此我們選擇了第一設(shè)計(jì)需要為使我們機(jī)器人的重量最小化。在這四個(gè)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，我們將決定哪些原則來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的機(jī)器人。 Burrows 2003。我們的設(shè)計(jì)工作原則是首先收緊扭簧并之后快速釋放它的能量到四桿腿部連結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)跳躍運(yùn)動(dòng)，如圖三所示。為了跳躍，一個(gè)四桿的腿桿件附于身體接觸地面。這在概念上類似于昆蟲積極的復(fù)位如Faisal (2001)和Frantsevich(2004)所描述的。這些附加的驅(qū)動(dòng)器和鉸鏈增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和通過(guò)使整個(gè)系統(tǒng)出錯(cuò)率更高來(lái)減少了機(jī)械強(qiáng)度。它存在著一定風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)機(jī)器人在地勢(shì)并不足夠光滑和滾動(dòng)力矩由于重量轉(zhuǎn)換并不足以克服障礙時(shí)卡住。因此我們選擇這種原理來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的復(fù)位。此外，它需要結(jié)構(gòu)在機(jī)器人外部有可能對(duì)在著陸時(shí)產(chǎn)生潛在損害。能量損耗相對(duì)低因?yàn)椴皇钦麄€(gè)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人質(zhì)量要移動(dòng)。表三：四個(gè)不同操縱機(jī)構(gòu)的工作原理的加權(quán)評(píng)估（圖五）標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量（1）（2） （3） (D)重量輕3245簡(jiǎn)單5322穩(wěn)定性2445能量損耗 3434合計(jì)131：非常不利—5：非常有利在原理（3），如“簡(jiǎn)約跳躍機(jī)器人”（）所示，整個(gè)系統(tǒng)圍繞足部。這種簡(jiǎn)單的結(jié)合在跳躍前的轉(zhuǎn)動(dòng)作用改變機(jī)器人的方向比如解決方案（1）和（3）有著牢固的封裝跳躍機(jī)構(gòu)于結(jié)構(gòu)內(nèi)部如解決方案（2）。圖六：跳躍機(jī)器人的CAD設(shè)計(jì)和制造原型。電機(jī)在順勢(shì)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪，通過(guò)一個(gè)四級(jí)的齒輪箱（3）來(lái)收緊兩個(gè)扭簧（4）。一次跳躍每3秒能被執(zhí)行伴隨350mW的能量消耗。不同材料的屬性被總結(jié)在表四。相比于之前的設(shè)計(jì)，他也提供了更高的彈簧設(shè)定（8）來(lái)規(guī)范彈跳高度。跳躍機(jī)構(gòu)（8）用鋁叉（9）附于籠的軸上。（1）機(jī)器人軸（2）（3）（4）（5）（6）（7）連結(jié)片使碳環(huán)和碳棒相連（8）最為機(jī)器人推進(jìn)單元的跳躍機(jī)構(gòu)（9）機(jī)器人軸與跳躍機(jī)構(gòu)的接口的鋁叉（10）6毫米直流電機(jī)來(lái)使跳躍機(jī)構(gòu)繞軸旋轉(zhuǎn)（11）加強(qiáng)籠結(jié)構(gòu)的線（12）3通道遙控器 操縱機(jī)構(gòu) 籠內(nèi)部的跳躍機(jī)構(gòu)的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)是采用電機(jī)和兩個(gè)導(dǎo)向軸實(shí)現(xiàn)的。從電機(jī)到軸的傳動(dòng)比試1/225，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是每分鐘8000轉(zhuǎn)。起跳順序用18毫秒從足部接觸地面到機(jī)器人離開地面，（圖十一）。它的位置在籠的較低位置來(lái)確保著陸后的消極復(fù)位。整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)心位于籠的較低位置從而使機(jī)器人被動(dòng)的復(fù)位。 跳躍參數(shù)的調(diào)整根據(jù)機(jī)器人將操作的地勢(shì)，不同的跳躍機(jī)器人的配置能更優(yōu)化。起跳角度和跳躍距離能通過(guò)改變籠內(nèi)的跳躍機(jī)構(gòu)的姿勢(shì)而被調(diào)節(jié)（圖十二 角α）。 籠子的成本 第一組實(shí)驗(yàn)的目