【正文】 論 .................................................................48 參考文獻： .............................................................48 文獻原文 一、 文獻綜述 仿生學(xué)（ bionics）是上世紀(jì) 60 年代興起的一門學(xué)科，以昆蟲為對象的仿生學(xué)研究和應(yīng)用一直是國內(nèi)外的研究熱點之一。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人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說 明并表示了謝意。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 1 跳躍理論優(yōu)勢 尺度效應(yīng) 自然界各物種體積差別很大。因此無論是自然界中的小體型動物還是人造小型機器人。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。南京航空航天大學(xué)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)。 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(xué)模型簡單，浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)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。 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 13 剛體彈性單元模型 西北工業(yè)大學(xué)的葛文杰、詹望進行了仿袋鼠跳躍機器人多剛體動力學(xué)研究。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。 在跳躍過程中，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。造成輪式機器人小型化后會降低其越障通行能力。 仿生學(xué)（ bionics）是上世紀(jì) 60 年代興起的一門學(xué)科，以昆蟲為對象的仿生學(xué)研究和應(yīng)用一直是國內(nèi)外的研究熱點之一。即為機器人足與接觸面間的最大受力。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(dāng) Fr 超過 時，動物步態(tài)從爬行轉(zhuǎn)為奔跑，當(dāng) Fr 逐步增大超過 1 后， 重力作用無法抵消動能，浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 19 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。 北京航空航天大學(xué) ,對單足跳躍機器人進行運動學(xué)分析 ,建立了機器人在著地階段和騰空階段的動力學(xué)模型。 由于實際的機器人是很復(fù)雜的，很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述，必須對它進行合理地簡化浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 22 后才能用數(shù)學(xué)模型來描述。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。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 i n ()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(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 24 0)c o s ()s i n (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()(tan fftt fftt LL ?? ??? ??? 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。 電機的選型 現(xiàn)有的仿蝗蟲跳躍機器人需要兩個伺服電機。因此要得到機器人的運動和動力學(xué)特性，就要采用系統(tǒng)的多體動力學(xué)方法進行分析。 — 仿蝗蟲跳躍機器人的細化設(shè)計。 5 目前進展 查閱文獻，對蝗蟲的跳躍機理有 了簡單的了解。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行重新跳躍。因此許多小動物的行進策略是跳躍，著 陸后保持 復(fù)位 ，重新調(diào)整并且再次跳躍。 迄今為止，有些能夠著陸后 復(fù)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 千克之間。簡約跳躍機器人（ 3） (Burdick and Fiorini 2020)重達 千克能夠在著陸后自主延伸它的結(jié)構(gòu)和 復(fù)位 為下一次跳躍做好準(zhǔn)備。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。怎樣實現(xiàn)跳躍機器人浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 33 的 復(fù)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(fù)位 和操縱的能力。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。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。這在概念上類似于昆蟲積極的 復(fù)位 如 Faisal (2020)和 Frantsevich(2020)所描述的。它存在著一定風(fēng)險，當(dāng)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。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。 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(biāo)準(zhǔn) 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。 浙江大學(xué)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。一次跳躍每 3秒能被執(zhí)行伴隨 350mW 的能量消耗。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。（ 1）機器人軸（ 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(dǎo)向軸實現(xiàn)的。起跳順序用 18毫秒從足部接觸地面到機浙江大學(xué)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）。 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）。由于重心位于結(jié)構(gòu)的低部分，機器人位于穩(wěn)定的 復(fù)位 位置并準(zhǔn)備操縱和重 新起跳。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）。 復(fù)位 機構(gòu) 復(fù)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）。 浙江大學(xué)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。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）。 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。 Card and Dickinson 最近展示（ Card and Dickinson 2020）了果蠅使用了相同的原理來指導(dǎo)它們的逃跑跳躍。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(fù)位位置而更加高效。因此，相比較其它的解決方案，它是非常有效的?；镜慕M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)。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 2020。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。作為我們機器人的跳躍表現(xiàn)的性能特征，我們討論了 復(fù)位 和操控的成本。 Jollbot（ 4）（ Armour et al. 2020）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(fù)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。 圖一：重達 14克的原型。Frantsevich 2020）。角跳躍 62cm 高落地后能夠恢復(fù)、定位和重新跳躍的新型球形機器人。 理解了仿蝗蟲 跳躍機器人設(shè)計 的功能并準(zhǔn)備進行細化設(shè)計。 — 仿蝗蟲跳躍機器人的實物制作。首先是為了實時控制的目的，利用運動中的動力學(xué)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(biāo)和更佳的運動性能。 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。 這可以指導(dǎo)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)。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。 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)。 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。與質(zhì)心到支撐點長度也有關(guān)系。 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。尤其在仿生跳躍機器人的彈跳模型、跳躍機理、樣機設(shè)計、運動控制、穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)方面，國際上也尚處于研究的初始階段。跳躍機器人在平坦地段可以采用爬行方式，該狀態(tài)時穩(wěn)定性較輪式機器人高，適于攜帶各類精密探測儀器。并通過調(diào)整翅翼傾斜角度保持機器人的穩(wěn)定。 混合型 鐘擺型與彈射型結(jié)合，利用關(guān)節(jié)臂擺動控制彈簧的伸縮，達到彈跳目的．其原理類似于人在蹦極時的動作，不同的 是彈簧固定在機構(gòu)中一起跳躍． 混合型彈跳其運動是連續(xù)的，只要關(guān)節(jié)臂與彈簧協(xié)調(diào)動作，可以連續(xù)彈跳．但機構(gòu)從靜止到躍過障礙物需要數(shù)次彈跳來積累能量，以達到預(yù)定彈跳高度，而且控制過程中必須用傳感器能感知跳起高度、何時達到最高點、何時落地等控制關(guān)節(jié)臂所必須的變量．因而對機構(gòu)實時控制要求較高． 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告及文獻綜述 15 雙擺跳躍機器人模型 混合型彈跳機構(gòu) 4 跳躍機器人的動力及穩(wěn)定性控制 在自然界高等生物各類運動中，肌腱的彈性儲能和釋放發(fā)揮了重要作用。 多剛體添加柔性模型 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)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。 跳躍彈簧單質(zhì)量模型 北京航空航天大學(xué) ,對單足跳躍機器人進行運動學(xué)分析 ,建立了機器人在著地階段和騰空階段的動力學(xué)模型?！?90176。機器人在跳躍前被轉(zhuǎn)動來確保朝確定的方向行進。 弗勞德系數(shù) 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）。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。 開題報告要求： 在廣泛閱讀國內(nèi)外相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書的有關(guān)要求和主要研究內(nèi)容，認真完成畢業(yè)設(shè)計開題報告的撰寫工作，開題報告應(yīng)包括畢業(yè)設(shè)計論文的研究意義、國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀、論文的主要研究內(nèi)容、研究方案和可行性、具體的研究計劃和時間安排等部分內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，完成開題報告的答辯工作。 作者簽 名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師評閱書 指導(dǎo)教師評價： 一、撰寫（設(shè)計）過程 學(xué)生在論文（設(shè)計）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不