【正文】 23 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。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。 3 研究內(nèi)容 跳躍機構(gòu)的分析 ： 為了估計蝗蟲腿部的力的仰角，首先計算在無大腿骨及脛節(jié)質(zhì)量的情況下的地面反作用力。地面對于脛節(jié)的反作用力為： yxGyM GxM?????? （ 3） 對于蝗蟲脛節(jié)及大腿的無質(zhì)量簡化意味著脛節(jié)及大腿上的轉(zhuǎn)矩為 ，脛節(jié)對脛節(jié)和大腿骨連結(jié)處的總力矩為： 0)s in ()c o s (L ??? 肌肉轉(zhuǎn)矩txttyt GLG ?? （ 4） 同理，大腿對脛節(jié)和大腿骨的連結(jié)處的力矩為： 浙江大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 24 0)c o s ()s in (L ???? 肌肉轉(zhuǎn)矩ffff yMLxM ?? ???? （ 5） 對方程 25進行聯(lián)立，得： )c os ()c os (L )s in (L)s in ( fftt fftt LLyx ?? ?? ??????? （ 6） 合成加速度的所指方向與仰角方向一致，得： )c os ()c os (L )s in (L)s in ()(t a n fftt fftt LL ?? ??? ??? 因此，由于腿部伸展的質(zhì)量加速度方向應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。 現(xiàn)有的仿蝗蟲跳躍機器人需要兩個伺服電機。 機器人動力學是多體系統(tǒng)動力學和機器人學的交叉學科，它的理論研究直接為機器人工程實踐服務。因此要得到機器人的運動和動力學特性，就要采用系統(tǒng)的多體動力學方法進行分析。 針對仿蝗蟲跳躍機器人，可采用拉格朗日法建立了運動學和動力學方程，得到了浙江大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 27 其各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的表達式，利用 Matlab 對機器人進行仿真計算分析，給出相應機構(gòu)運動及動力特性線圖，并對結(jié)果進行了討論。 — 仿蝗蟲跳躍機器人的細化設(shè)計。采用拉格朗日法建立跳躍機器人運動學和動力學方程（尤其是著陸階段），得到其各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩等參浙江大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 28 數(shù)的表達式 — 對跳躍機器人進行仿真 、參數(shù)優(yōu)化 。 5 目前進展 查閱 文獻，對蝗蟲的跳躍機理有了簡單的了解。 Manuel Schlegel 為了執(zhí)行 在給定方向上的重復跳躍，重要的是能夠在 復位 著陸后能夠被操縱進行重新跳躍。 關(guān)鍵詞：跳躍機器人、仿生運動、移動機器人、太空機器人 1 簡介 在惡劣的地形下行進對于小尺寸的系統(tǒng)是更加困難的。因此許多小 動物的行進策略是跳躍，著陸后保持 復位 ，重新調(diào)整并且再次跳躍。 Lambrecht et 。 迄今為止，有些能夠著陸后 復位 和操縱的跳躍機器人已經(jīng)被展示（圖二），但是他們的質(zhì)量相對更重在 千克到 千克之間。 桑迪亞跳躍者（ 1）（ weiss 20xx）是一個重達 千克能通過裝在一個球形的塑料殼體內(nèi)的活塞驅(qū)動的燃燒室跳躍的系統(tǒng)。簡約跳躍機器人（ 3） (Burdick and Fiorini 20xx)重達 千克能夠在著陸后自主延伸它的結(jié)構(gòu)和 復位 為下一次跳躍做好準備。表一總結(jié)了這些機器人的尺寸、重量和性能值。我們的主要設(shè)計要求是保持我們結(jié)構(gòu)的簡單和低質(zhì)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后，我們給出了障礙情景下通過遠程控制成功和重復移動的原型。怎樣實現(xiàn)跳躍機器人浙江大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 33 的 復位 和操 縱是本文的重點，我們首先簡要的描述我們用為跳躍機構(gòu)的原則然后進行評估怎樣提供 復位 和操縱的能力。因此我們選擇了第一設(shè)計需要為使我們機器人的重量最小化。在這四個設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，我們將決定哪些原則來實現(xiàn)我們的機器人。 Burrows 20xx。我們的設(shè)計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)來實現(xiàn)跳躍運動，如圖三所示。為了跳躍，一個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 復位 如 Faisal (20xx)和 Frantsevich(20xx)所描述的。這些附加的驅(qū)動器和鉸鏈增加了系統(tǒng)的復雜性和通過使整個系統(tǒng)出錯率更高來減少了機械強度。它存在著一定風險，當機器人在地勢并不足夠光滑和滾動力矩由于重量轉(zhuǎn)換并不足以克服障礙時卡住。因此我們選擇這種原理來實現(xiàn)機器人的 復位 。此外，它需要結(jié)構(gòu)在機器人外部有可能對在著陸時產(chǎn)生潛在損害。能量損耗相對低因為不是整個結(jié)構(gòu)的機器人質(zhì)量要移動。 表三：四個不同操縱機構(gòu)的工作原理的加權(quán)評估（圖五） 標準 質(zhì)量 （ 1） （ 2） （ 3） (D) 重量輕 3 2 4 5 簡單 5 3 2 2 穩(wěn)定性 2 4 4 5 能量損耗 3 4 3 4 合計 1 3 1：非常不利 — 5：非常有利 在原理（ 3），如“簡約跳躍機器人”（圖二 .3）所示，整個系統(tǒng)圍繞足部。這種簡單的結(jié)合在跳躍前的轉(zhuǎn)動作用改變機器人的方向比如解決方案（ 1）和（ 3）有著牢固的封裝跳躍機構(gòu)于結(jié)構(gòu)內(nèi)部如解決方案（ 2）。 浙江大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 38 圖六：跳躍機器人的 CAD 設(shè)計和制造原型。電機在順勢針方向轉(zhuǎn)動凸輪，通過一個四級的齒輪箱（ 3）來收緊兩個扭簧（ 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，他也提供了更高的彈簧設(shè)定（ 8）來規(guī)范彈跳高度。跳躍機構(gòu)（ 8）用鋁叉（ 9）附于籠的軸上。（ 1）機器人軸（ 2） 毫米碳棒（ 3） 毫米碳環(huán)（ 4）（ 5）（ 6）（ 7）連結(jié)片使碳環(huán)和碳棒相連（ 8）最為機器人推進單元的跳躍機構(gòu)（ 9）機器人軸與跳躍機構(gòu)的接口的鋁叉 （ 10） 6 毫米直流電機來使跳躍機構(gòu)繞軸旋轉(zhuǎn)（ 11）加強籠結(jié)構(gòu)的線（ 12）3 通道遙控器 操縱機構(gòu) 籠內(nèi)部的跳躍機構(gòu)的繞軸轉(zhuǎn)動是采用電機和兩個導向軸實現(xiàn)的。從電機到軸的傳動比試 1/225，來產(chǎn)生一個足夠慢的每分鐘 轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，電機的轉(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浙江大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 41 器人離開地面，起跳速度為 （圖十一）。它的位置在籠的較低位置來確保著陸后的消極 復位 。 這個完整的功能性遙控原型包括電池和電路重達 克，總尺寸為 18 厘米（表五）。電池為 10 毫安電壓 伏。由于重心位于結(jié)構(gòu)的低部分，機器人位于穩(wěn)定 的 復位 位置并準備操縱和重新起跳。整個 復位 運動的過程需要 2 秒。一個 6毫米的直流電機和內(nèi)置被固定于碳管的 1/25 齒輪箱（ 4）驅(qū)動一個模數(shù)為 ,齒數(shù)為 81 的固定于碳棒（ 3）和能固定跳躍機構(gòu)的叉（ 6）的齒輪（ 5）。 籠的材料是商業(yè)可用的碳棒通過剛性節(jié)點連結(jié)。 復位 機構(gòu) 復位 機構(gòu)包括一個設(shè)計的籠結(jié)構(gòu)使可以被動的轉(zhuǎn)到一 個適合下一次跳躍的位置（圖八）?？蚣苁卿X制的而不是 Cibatool 并且因此更輕、更穩(wěn)定和有跟好的齒輪軸的導向。 浙江大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 39 圖七：我們跳躍機構(gòu)的推進單元。一旦凸輪的最遠端到達，被存在彈簧里的能量驅(qū)動作為四桿機構(gòu)的輸入桿的主腿。如上文 所描述的，基本的原理是收緊扭簧并釋放它的能量來伸展一個四桿的腿部連桿來跳躍（圖三）。 浙江大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 37 圖五：操縱機器人的四個工作原理（ 1）在跳躍前這輪轉(zhuǎn)動，（ 2）執(zhí)行的轉(zhuǎn)變來改變起跳方向，（ 3）起跳前足部轉(zhuǎn)動機器人，（ 4）起跳前籠內(nèi)部跳躍結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動 3 實施 發(fā)展我們的跳躍機器人的下一個階段是借助 CAD 實現(xiàn)所選擇的跳躍、 復位 和操縱原理，集成子系統(tǒng)，制造組成部分并裝配原型（圖六）。 除了這三個現(xiàn)有的操縱工作原理，我們提出的原理（ 4）據(jù)我們所知，還沒有作為操縱跳躍被實現(xiàn)過。另一個潛在的缺點是轉(zhuǎn)移的重心位置影響了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布也因此改變了機器人的空中行為。 Card and Dickinson 最近展示（ Card and Dickinson 20xx）了果蠅使用了相同的原理來指導它們的逃跑跳躍。第一個原理（圖五 .1）使用輪來轉(zhuǎn)動機器人，比如在偵查機器人（圖二 .2）和救援機器人（圖二 .5）情況下。與第二個解決方案相比，它因為在著陸和在地面上跳躍時已經(jīng)有很強的趨勢來達到 復位位置而更加高效。（ 1）手臂或桿件在著陸后的積極運動，（ 2）重心在著陸后的積極轉(zhuǎn)換來 復位 ，（ 3）重心的位置導致被動的 復位 運動 第二個原理（圖四 .2）包括一個結(jié)構(gòu)內(nèi)部的質(zhì)量塊太產(chǎn)生一個滾動的沖量從而復位 系統(tǒng)，如 Jollbot (圖二 .4)所采用的。因此，相比較其它的解決方案，它是非 常有效的。 機構(gòu) 我們將現(xiàn)有的機器人的 復位 機構(gòu)在怎樣實現(xiàn) 復位 運動上分為三種原則（圖四）并使用權(quán)重比較估計 (Ullman 20xx)來比較它們（表二）。基本的組成部分是連結(jié)身體與地面的連桿（ 1）和通過輸入連桿（ 2）使用扭簧（ 3）驅(qū)動的四桿機構(gòu)。Kovac et al. 20xx)。對于小的跳躍系統(tǒng)最有利的是首先緩慢的收取一個彈性單元并之后使用腿作為發(fā)射機來跳躍 (Roberts and Marsh 20xx。第三要求是建立一個盡量結(jié)實的機構(gòu)來減小機械失敗的風險。之后，我們將在我們的設(shè)計需求基礎(chǔ)上對它們進行比較。在這個設(shè)計過程中，連續(xù)的步驟是：（一）對實現(xiàn)定義功能的需要原理的概念設(shè)計，（二）使用權(quán)重比較估計方法來進行比較（三）借助計算機輔助設(shè)計設(shè)計（ CAD）來建模并最終制造和裝配。作為我們機器人的跳躍表現(xiàn)的性能特征，我們討論了 復位 和操控的成本。為了設(shè)計這個機器人，我們通過分離目的運動成 3個過程來進行設(shè)計：跳躍、 復位 和操縱。 Jollbot（ 4）（ Armour et al. 20xx）是一個重達 465克能夠主動擠壓球形結(jié)構(gòu)來使著陸后 復位 并且能夠通過繞著軸線轉(zhuǎn)動它質(zhì)心來改變跳躍方向。樓梯跳躍偵查機器人（ 2） （ Stoeter et al. 20xx）是一個重 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)。 圖一：重達 14 克的原型。 Kovac et al. 20xx）但是這些系統(tǒng)不能 復位 和操縱。Frantsevich 20xx）。在自然界中，許多小的動物，如蝗蟲（ Ben— Clark 1975），跳蟲（ Brackenbury and Hunt 1993） ,甲殼蟲（ Alexander 20xx）和跳蚤（ Gronenberg 1996）通過跳躍作為主要的行進方式來克服由于它們的小尺寸而造成的相對大的障礙。角跳躍 62cm 高落地后能夠恢復、定位和重新跳躍的新型球形機器人。 Dario Floreano 摘要：跳躍在自然界中被許多小動物用來在雜亂的環(huán)境及惡劣的地形中行進。 理解了仿蝗蟲 跳躍機器人設(shè)計 的功能并準備進行細化設(shè)計。 — 采用 D— H法對機器人騰空階段進行運動分析。 — 仿蝗蟲跳躍機器人的實物制作。對現(xiàn)有的幾種簡單跳躍動力學模型進行了了解和比較。首先是為了實時控制的目的，利用運動中的動力學模型，才有可能進行最優(yōu)化控制，以期達到最優(yōu)控制指標和更佳的運動性能。運動學和動力學是研究物體運動和作用力之間的關(guān)系。 兩個電機分別用來實現(xiàn)機器人運動、儲能和軸向五級運動。 銷釘用來固定跳躍角度，當跳躍角度需要變化時，可以將銷釘頂出同時轉(zhuǎn)動彈跳模塊的框架，之后銷釘通過彈簧復位繼續(xù) 固定跳躍角度。 這可以指導我們對仿蝗蟲跳躍機器人的跳躍方向（跳躍角）進行調(diào)節(jié)。加速度仰角在起跳階段能夠很好的預測蝗蟲的起跳角。而剛性腳踝關(guān)節(jié)在起跳階段的軌跡呈下降狀態(tài) ,不利于機器人的跳躍。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動而加大了地面的反力、沖擊和能量的消耗。 1)假設(shè)各肢體都為剛性構(gòu)件； 2)假設(shè)兩條腿的物理參數(shù)是完全相同的； 3)假設(shè)每條 腿都只由三個關(guān)節(jié)組成，即髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。這種方式使彈跳間隔時間較長，運動不太靈活。 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。 在仿生運動分析方法上，采用代替動物腿的線性彈簧和代替動物軀浙江大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 20 干質(zhì)尾的質(zhì)量塊構(gòu)成的簡單模型，能夠精確地預測動物運動步態(tài)的力學性能 。與質(zhì)心到支撐點長度也有關(guān)系。 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）。 由 (2)式可推得，當體積縮小時，體積相關(guān)的力 (如重力 )較面積相關(guān)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。通過雙腳跳躍移動