【文章內容簡介】 的動作，不同的 是彈簧固定在機構中一起跳躍． 混合型彈跳其運動是連續(xù)的，只要關節(jié)臂與彈簧協調動作，可以連續(xù)彈跳．但機構從靜止到躍過障礙物需要數次彈跳來積累能量，以達到預定彈跳高度，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、何時落地等控制關節(jié)臂所必須的變量．因而對機構實時控制要求較高． 浙江大學畢業(yè)設計（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 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。如青蛙在彈跳時瞬間輸出力是后肢肌肉平均輸出力的 7倍。瞬間爆發(fā)力主要是由肌腱和肌肉間的彈 性提供的。在機器人跳躍裝置中使用彈性器件可以僅用小功率電機提供動力，壓縮彈簧儲能，一次性釋放實現跳躍。同時使用彈性材料制作機器人足還可以存儲著陸觸底階段的能量。提高運動效率，并提供接地緩沖功能。 在跳躍過程中，與地面瞬間接觸力將為重力的數倍，使空中姿態(tài)和著陸穩(wěn)定性控制難度增加。準備安裝翅翼，減小著陸時沖擊力，同時可以利用翅翼進行滑翔，擴大行程。并通過調整翅翼傾斜角度保持機器人的穩(wěn)定。這就需要在跳躍機器人中加入自動控制系統?？墒褂脝纹瑱C與加速度傳感器，通過讀取加速度傳感器出處，獲知機器人當前平衡狀態(tài)。以調整翅 翼和足的位置實現爬行及跳躍階段的平衡。 5 應用前景 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械無法完全實現在這些自然環(huán)境下的自主移動。大部分輪式機器人僅能跨越與輪直徑相近的障礙。造成輪式機器人小型化后會降低其越障通行能力。同時跳躍機器人對地表的損害較輪履車輛產生的持續(xù)車轍小，更適于在環(huán)境敏感地域使用。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。 浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 16 6 參考文獻 [1]劉壯志，席文明，朱劍英，吳洪濤 彈跳式機器人研究 機器人 ROBOT， [2]陳大競，朱丹華，劉偉庭，陳裕泉 微型仿生跳躍機器人的研究與發(fā)展 國際生物醫(yī)學工程雜志， [3]岳映章，文杰，柏龍 仿袋鼠跳躍機器人的剛柔混合建模運動步態(tài)分析 機械科學與技術， [4]詹望 . 仿袋鼠跳躍機器人多剛體動力學研究 [D]：［碩士學位論文］．西北工業(yè)大學， 2020 [5]夏旭峰 基于彈簧 — 質量模型的仿袋鼠跳躍機器人步態(tài)穩(wěn)定性研究 [D]：［碩士學位論文］西北工業(yè)大學， 2020 [6]楊繪宇，王石剛，梁慶華，鄧奇 仿蝗蟲跳躍機器人起跳過程運動學建 模及分析 機械設計， [7]李向陽，葛文杰，楊 方 考慮腳部柔性的仿袋鼠跳躍機器人運動特性研究 機器人 ROBOT， [8]王瑜，何廣平 雙臂單腿跳躍機器人的動力學建模與仿真 北方工業(yè)大學學報， [9]葛文杰，沈允文，楊方 仿袋鼠機器人跳躍運動步態(tài)的運動學 機械工程學報 [10]楊文綱，陸震 單足跳躍機器人動力學建模與仿真 機械與電子， [11]路甬祥．仿生學的意義與發(fā)展．科學中國人， 2020: 2224. 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In IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems, Vol. 1,pp. 721– 726. 浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 17 二、 開題報告： 仿蝗蟲跳躍機器人結構設計及其運動學與動力學分析 1 背景 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械無法完全實現在這些自然環(huán)境下的自主移動。近年來，隨著仿生機器人技術的發(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日益受到人們的關注。跳躍運動可以越過數倍于自身的障礙物，若與原有運動方式（如輪式機構）結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 ，跳躍機構在這種低重力的外星際探索中極具優(yōu)勢。 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外的研究熱點之一。仿生跳躍機器人的研制在國際上尚處于起步階段，國內也剛開始此類課題的研究。尤其在仿生跳躍機器人的彈跳模型、跳躍機理、樣機設計、運動控制、穩(wěn)定性等關鍵技術方面，國際上也尚處于研究的初始階段。 2 調研報告 跳躍理論優(yōu)勢 尺度效應 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浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 18 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 ： 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的生物學統計數據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。 弗勞德系數 在討論跳躍的優(yōu)劣中有必要引入弗勞德系數，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，弗勞德系數可理解為向心力和重力之比，理論上 Fr 超過 1 時，支撐足產生的向心力超過重力，所支撐的物體將騰空。弗萊德系數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)從爬行轉為奔跑，當 Fr 逐步增大超過 1 后， 重力作用無法抵消動能，浙江大學畢業(yè)設計（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變。 假設物體 1 與 2 有以下關系 ： 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生不僅由速度決定。與質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，以達到跳躍狀態(tài)。隨著外形尺寸的縮小，跳躍長度會增加，這與動物觀測結果相同，體型更小的動物跳躍單位身長更長。 現有跳躍運力學模型及分析 單質量彈簧模型 西北工業(yè)大學的葛文杰、夏旭峰進行了基于彈簧 — 質量模型的仿袋鼠跳躍機器人步態(tài)穩(wěn)定性研究。 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)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 20 干質尾的質量塊構成的簡單模型，能夠精確地預測動物運動步態(tài)的力學性能 。 跳躍彈簧單質量模型 圖中 m 為袋鼠的總質量： 0l 為彈簧的原始長度 (即動物 跳躍至腳趾 剛 觸地時 刻其質心與腳 觸地點之間的距離 )； 0a 為觸地角 (即袋鼠腳趾觸地時與水平地面問夾角的較小值 )； k 為彈簧剛度系數； l? 為著地階段袋鼠腿部伸縮 最大變化量。 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 雙質量彈簧模型 在單質 量彈簧基礎上，再考慮到動物著地階段雙腳的作用及其質量，可建立以動物腳踝關節(jié)為坐標原點 o 的參考坐標系 ),( yx 與極坐標系 ),( ?r 和跳躍機器人著地階浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 21 段的彈簧一雙質量 模型。 著地階段的彈簧雙質量模型 彈簧雙質量模型（垂直） 此模型只考慮了垂直彈跳，實際機構運動時要水平速度分量，需要能夠在空中主動地調整姿態(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。雙質量模型彈跳機構主要采用被動方式。有的將機構重心降低，并用護 罩保護，類似不倒翁。但由于底部質量增加，系統彈跳效率因此降低，彈跳高度有限；有的機構采用落地碰撞并翻轉后，通過矯正機構來恢復彈跳姿態(tài)。這種方式使彈跳間隔時間較長，運動不太靈活。 剛體彈性單元模型 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。 由于實際的機器人是很復雜的，很難用精確的數學模型來描述，必須對它進行合理地簡化浙江大學畢業(yè)設計（論文） 開題報告及文獻綜述 22 后才能用數學模型來描述。根據機器人的跳躍特性，為仿生機器人建?？蛇M行如下簡化。 1)假設各肢體都為剛性構件； 2)假設兩條腿的物理參數是完全相同的； 3)假設每條 腿都只由三個關節(jié)組成，即髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)。 所得到的剛體彈性單元模型如下： 多剛體模型 剛體彈性單元加柔性模型 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柔混合建模運動步態(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 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。這一特性有助于機器人減緩踝關節(jié)所受軀干等其他構件下落的慣性力和引起的沖擊力 ,同時也可減小軀干質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化為彈性勢能并在起跳階段將勢能轉化為動能釋放。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 ,提高了機器人的起跳速度 ,進而增大跳躍機器人的躍遠度。而剛性腳踝關節(jié)在起跳階段的軌跡呈下降狀態(tài) ,不利于機器人的跳躍。 (3)增大起跳時間和調整起跳角度。 3 研究內容 蝗蟲跳躍機理 跳躍機構的分析 ： 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)質量的情況下的地面反作用力。然后計算蝗蟲質心水平及垂直加速度并得出計算加速度仰角。加速度仰角在起跳階段能夠很好的預測蝗蟲的起跳角。 yx????1tan??仰角 （ 2） 用實際質量和重力重復計算。地面對于脛節(jié)的反作用力為： yxGyM GxM?????? （ 3） 對于蝗蟲脛節(jié)及大腿的無質量簡化意味著脛