【正文】 電機(jī)被操縱并且電機(jī)的跳躍機(jī)構(gòu)被用重 克大規(guī)模微型 DIDEL3 通道紅外線控制器遙控（圖八 .L）。 集成 著陸和滾動之后，為了下一次跳躍和籠的被動 復(fù)位 直到與地面接觸得只是籠的底部，跳躍機(jī)構(gòu)收緊（圖十）。為了加強(qiáng)整個結(jié)構(gòu)，我們添加了 8條線（ 11）來保持第一個水平碳環(huán)的軸。 這中跳躍機(jī)構(gòu)與 Kovac 提出的系統(tǒng)的不同在于更牢固和有更好的跳躍表現(xiàn)。這兩個彈簧位于腿（ 5）的軸的周圍并固定在框（ 6）和主腿（ 7）上。因此我們在跳躍機(jī)器人上采用工作原 理（ 4）。 然而主要的缺點是不夠高效相比浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻(xiàn)綜述 36 別的整個機(jī)器人在起跳前定向的原理，因為質(zhì)心的轉(zhuǎn)換只能改變起跳角。 操縱機(jī)構(gòu) 我們能將現(xiàn)有的機(jī)器人的操縱原理區(qū)分為四種并且用相同的權(quán)重比較估計（ Ullman 20xx）（表三）來比較它們。 圖四： 復(fù)位 工作的三個工作原理。桿件（ 1）使用扭簧通過輸入桿（ 2）快速伸展。 Scarfogliero et al. 20xx。作為第二設(shè)計要求我們保持結(jié)構(gòu)的制造和裝配的盡量簡單。 2 設(shè)計方法 為了設(shè)計能夠表現(xiàn)操縱重復(fù)跳躍的機(jī)器人，我們把需要的功能分為 3個子功能，即跳躍、 復(fù)位 和操縱并如 Ullman（ 20xx）描述的一樣應(yīng)用了工程設(shè)計過程。 表一 可操控跳躍機(jī)器人的比較 名稱 （表二） 質(zhì)量 （克） 最大 尺寸 （厘米） 跳躍 高度 （厘米） 跳躍 距離 （厘米） 單位質(zhì)量跳躍高度（厘米 /克） 單位尺寸跳躍高度（ ） 復(fù)位 原理（圖 4） 操縱 原理 （圖5） （ 1 ）“ 桑迪亞 跳躍者 ” (Weiss 20xx) 2500 20 300 300 15 (C) (B) （ 2 ） “ 樓梯偵查 機(jī) 器人 ” (Stoeter et al. 20xx) （ 3）簡約跳躍機(jī)器人 (Burdick 200 1300 11 15 30 20 90 200 6 (C) (A) (A) (C) 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻(xiàn)綜述 32 and Fiorini 20xx) （ 4 ）Jollbot（ Armour et al. 20xx） 465 30 0 (B) (B) （ 5）營救機(jī)器人（ Tsukagoshi et al. 20xx） 2300 15 80 未知 (C) (A) EPFL 跳躍機(jī)器人 14 18 62 46 (C) (D) 與這些現(xiàn)有的系統(tǒng)比較，我們的機(jī)器人的尺寸更小也跳得更高相對于 它的質(zhì)量而言，這也就支持了它在低質(zhì)量更重要情景例如太空探索下的應(yīng)用 (Yim et al. 20xx)。著陸后它能夠保持穩(wěn)定位置能通過轉(zhuǎn)動質(zhì)心來改變方向并重新跳躍。 Sugiyama et al. 20xx。這種效應(yīng)通常被稱為“顆粒尺寸假說”（ Kaspati and Weiser 1999） ,并被描述為“體積尺寸的減少伴隨環(huán)境惡劣的增加”。 JeanChristophe Zufferey 利用 Matlab 對機(jī)器人進(jìn)行仿真計算分析，給出相應(yīng)機(jī)構(gòu)運動及動力特性線圖，并對結(jié)果進(jìn)行了討論。 3 研究方案 4 進(jìn)度表 — 查閱文獻(xiàn)，對蝗蟲的跳躍機(jī)理及動力學(xué)、運動學(xué)模型的分析方法有了簡單的了解。由于機(jī)器人學(xué)，航天器控制，運動生物力學(xué)，車輛設(shè)計等領(lǐng)域的發(fā)展與需求，多剛體動力學(xué)近幾年發(fā)展迅速，從而使得機(jī)器人動力學(xué)有著深度和廣度的發(fā)展。 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻(xiàn)綜述 26 彈跳模塊中，儲能構(gòu)建為彈簧 ，通過使與凸輪固結(jié)的齒輪轉(zhuǎn)動，從而減少繩子實際長度，拉動彈跳模塊末端 ，從而達(dá)到拉伸彈簧 和儲能的功能 。然后計算蝗蟲質(zhì)心水平及垂直加速度并得出計算加速度仰角。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。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(jī)構(gòu)采用落地碰撞并翻轉(zhuǎn)后，通過矯正機(jī)構(gòu)來恢復(fù)彈跳姿態(tài)。 現(xiàn)有跳躍運力學(xué)模型及分析 西北工業(yè)大學(xué)的葛文杰、夏旭峰進(jìn)行了基于彈簧 — 質(zhì)量模型的仿袋鼠跳躍機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定性研究。采用跳躍方式比大型 動物／機(jī)器人有更高的效率和優(yōu)勢。以此為標(biāo)準(zhǔn)自然界中速度最快的是北美地區(qū)的更格盧鼠。近年來，隨著仿生機(jī)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(jī)理設(shè)計的仿生彈跳機(jī)構(gòu)日益受到人們的關(guān)注。以調(diào)整翅 翼和足的位置實現(xiàn)爬行及跳躍階段的平衡。在機(jī)器人跳躍裝置中使用彈性器件可以僅用小功率電機(jī)提供動力，壓縮彈簧儲能，一次性釋放實現(xiàn)跳躍。 (2) 增大機(jī)器人躍遠(yuǎn)度。有的將機(jī)構(gòu)重心降低，并用護(hù)罩保護(hù)，類似不倒翁。西北工業(yè)大學(xué)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。整體重量僅 15g，前進(jìn)速 度可達(dá) 1． 5m/s。 假設(shè)物體 1與 2有以下關(guān)系 ： 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻(xiàn)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(guān)系 ： im ∝ 3il ， ia ∝ 2iitl （ i=1,2） （ 5） (5)式結(jié)合牛頓第二定理可推導(dǎo)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。 即為機(jī)器人足與接觸面間的最大受力。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(jī)構(gòu)）結(jié)合可以大大提高機(jī)器人的活動空間與自主性，且易于微型化，活動能力更強(qiáng)，在考古、反恐、戰(zhàn)場偵察等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計） 文獻(xiàn)綜述和開題報告 題目 仿蝗蟲跳躍機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及其運動學(xué)與動力學(xué)分析 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論 文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。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%）。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(dāng)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。與質(zhì)心到支撐點長度也有關(guān)系。 圖 2 Grillo 微型跳躍機(jī)器人結(jié)構(gòu) 巴黎高等聯(lián)邦理工學(xué)院的智能系統(tǒng)實驗室 JeanChristophe Zufferey教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組于 20xx 年研制了籠式 EPFL 跳躍機(jī)器人（圖 3）采用四桿腿部跳躍機(jī)構(gòu)并能完浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻(xiàn)綜述 9 成跳躍、依靠重力及外部籠來復(fù)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(dá) 62 厘米。上海交通大學(xué)的楊繪宇等人進(jìn)行了仿蝗蟲跳躍機(jī)器人起跳過程運動學(xué)建模及分析，該模型抽象為平面剛性連桿機(jī)構(gòu)，采用機(jī)器人運動學(xué)分析的 D－ H 法，建立了各構(gòu)件之間的運動學(xué)關(guān)系。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(jī)構(gòu)采用落地碰撞并翻轉(zhuǎn)后，通過矯正機(jī)構(gòu)來恢復(fù)彈跳姿態(tài)。由于柔性腳具有儲能特性 ,在機(jī)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。同時使用彈性材料制作機(jī)器人足還可以存儲著陸觸底階段的能量。 5 應(yīng)用前景 在地球陸地表面，有超過 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)械無法完全實現(xiàn)在這些自然環(huán)境下的自主移動。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(jī)構(gòu)）結(jié)合可以大大提高機(jī)器人的活動空間與自主性，且易于微型化，活動能力更強(qiáng)，在考古、反恐、戰(zhàn)場偵察等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。通過雙腳跳躍移動速度能達(dá)到 80 身長／ s。 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(jī)器人或動物的足長）。 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(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻(xiàn)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(yù)測動物運動步態(tài)的力學(xué)性能 。這種方式使彈跳間隔時間較長，運動不太靈活。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。加速度仰角在起跳階段能夠很好的預(yù)測蝗蟲的起跳角。 銷釘用來固定跳躍角度，當(dāng)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(fù)位繼續(xù) 固定跳躍角度。運動學(xué)和動力學(xué)是研究物體運動和作用力之間的關(guān)系。對現(xiàn)有的幾種簡單跳躍動力學(xué)模型進(jìn)行了了解和比較。 — 采用 D— H法對機(jī)器人騰空階段進(jìn)行運動分析。 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(jìn)。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(jìn)方式來克服由于它們的小尺寸而造成的相對大的障礙。 Kovac et al. 20xx）但是這些系統(tǒng)不能 復(fù)位 和操縱。樓梯跳躍偵查機(jī)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)。為了設(shè)計這個機(jī)器人，我們通過分離目的運動成 3個過程來進(jìn)行設(shè)計：跳躍、 復(fù)位 和操縱。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(jìn)行比較（三）借助計算機(jī)輔助設(shè)計設(shè)計（ CAD）來建模并最終制造和裝配。第三要求是建立一個盡量結(jié)實的機(jī)構(gòu)來減小機(jī)械失敗的風(fēng)險。Kovac et al. 20xx)。 機(jī)構(gòu) 我們將現(xiàn)有的機(jī)器人的 復(fù)位 機(jī)構(gòu)在怎樣實現(xiàn) 復(fù)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）。（ 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(fù)位 ，（ 3）重心的位置導(dǎo)致被動的 復(fù)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(fù)位 系統(tǒng)，如 Jollbot (圖二 .4)所采用的。第一個原理（圖五 .1）使用輪來轉(zhuǎn)動機(jī)器人，比如在偵查機(jī)器人（圖二 .2）和救援機(jī)器人（圖二 .5）情況下。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(jī)器人的空中行為。 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻(xiàn)綜述 37 圖五：操縱機(jī)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(jī)器人，（ 4）起跳前籠內(nèi)部跳躍結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)