【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。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。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。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。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。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，完成開題報(bào)告的答辯工作。

　　

【正文】 來進(jìn)行設(shè)計(jì)：跳躍、 復(fù)位 和操縱。然后我們估計(jì)了現(xiàn)有的設(shè)計(jì)并摘錄了做這個(gè)項(xiàng)目的基本方法，用加權(quán)評估程序來比較它們并提出一種新的實(shí)現(xiàn)行為的方法。我們的主要設(shè)計(jì)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。此外，我們描述了設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)并把這 3個(gè)過程集成到了一個(gè)工作原型里。作為我們機(jī)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。我們也解釋和描述了如何通過改變機(jī)器人 的外形來轉(zhuǎn)變跳躍高度和距離。最后，我們給出了障礙情景下通過遠(yuǎn)程控制成功和重復(fù)移動的原型。 2 設(shè)計(jì)方法 為了設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)過程。在這個(gè)設(shè)計(jì)過程中，連續(xù)的步驟是：（一）對實(shí)現(xiàn)定義功能的需要原理的概念設(shè)計(jì)，（二）使用權(quán)重比較估計(jì)方法來進(jìn)行比較（三）借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)（ CAD）來建模并最終制造和裝配。 在下面的部分我們將介紹并解釋跳躍、 復(fù)位 和操縱的原則。怎樣實(shí)現(xiàn)跳躍機(jī)器人浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 33 的 復(fù)位 和操 縱是本文的重點(diǎn)，我們首先簡要的描述我們用為跳躍機(jī)構(gòu)的原則然后進(jìn)行評估怎樣提供 復(fù)位 和操縱的能力。對于 復(fù)位 和操縱我們將分析現(xiàn)有機(jī)器人完成的原則并添加一個(gè)未曾提出的附加方法來操縱機(jī)器人。之后，我們將在我們的設(shè)計(jì)需求基礎(chǔ)上對它們進(jìn)行比較。 為了使機(jī)器人跳得高，整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量應(yīng)保持盡可能小。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。作為第二設(shè)計(jì)要求我們保持結(jié)構(gòu)的制造和裝配的盡量簡單。第三要求是建立一個(gè)盡量結(jié)實(shí)的機(jī)構(gòu)來減小機(jī)械失敗的風(fēng)險(xiǎn)。第四和最后的要求是減小執(zhí)行不同功能的能量消耗，而更大的能量消耗會需 要更大更重的電池從而減小跳躍高度。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實(shí)現(xiàn)我們的機(jī)器人。 跳躍機(jī)構(gòu) 發(fā)展跳躍機(jī)構(gòu)的主要要求是為機(jī)器人建立一個(gè)跳躍高度和起跳角能調(diào)整的輕量級的推進(jìn)單元。對于小的跳躍系統(tǒng)最有利的是首先緩慢的收取一個(gè)彈性單元并之后使用腿作為發(fā)射機(jī)來跳躍 (Roberts and Marsh 20xx。Alexander 1988。 Burrows 20xx。 Scarfogliero et al. 20xx。Kovac et al. 20xx)。這種跳躍方式被小動物使用如沙漠蝗蟲 (BenClark 1975), 跳蚤 (Gronenberg 1996)和青蛙 (Roberts and Marsh 20xx)。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)來實(shí)現(xiàn)跳躍運(yùn)動，如圖三所示。這個(gè)相同的原則已經(jīng)在我們之前提出的簡約彈跳機(jī)器人中實(shí)現(xiàn) (Kovac et al. 20xx)。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(jī)構(gòu)。 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 34 圖三：跳躍機(jī)構(gòu)的工作的原理。為了跳躍，一個(gè)四桿的腿桿件附于身體接觸地面。桿件（ 1）使用扭簧通過輸入桿（ 2）快速伸展。 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(shí)現(xiàn) 復(fù)位 運(yùn)動上分為三種原則（圖四）并使用權(quán)重比較估計(jì) (Ullman 20xx)來比較它們（表二）。第一種原理（ 1）包括使用手臂或桿件來在著陸后積極地移動使結(jié)構(gòu) 復(fù)位 ，如“簡約跳躍機(jī)器人”（圖二， 3）采用的。這在概念上類似于昆蟲積極的 復(fù)位 如 Faisal (20xx)和 Frantsevich(20xx)所描述的。這個(gè)原理提供了完成在光滑表面和 復(fù)位 運(yùn)動也許會被阻礙的惡劣地勢的 復(fù)位運(yùn)動的優(yōu)點(diǎn)。因此，相比較其它的解決方案，它是非 常有效的。然而，它的缺點(diǎn)是它要求附加的驅(qū)動器和一定量的能量來抬升整個(gè)結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。這些附加的驅(qū)動器和鉸鏈增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和通過使整個(gè)系統(tǒng)出錯(cuò)率更高來減少了機(jī)械強(qiáng)度。 圖四： 復(fù)位 工作的三個(gè)工作原理。（ 1）手臂或桿件在著陸后的積極運(yùn)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(yùn)動 第二個(gè)原理（圖四 .2）包括一個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的質(zhì)量塊太產(chǎn)生一個(gè)滾動的沖量從而復(fù)位 系統(tǒng)，如 Jollbot (圖二 .4)所采用的。它是一個(gè)相當(dāng)簡單、高效和牢固的的解決方案，但是它有機(jī)器人在著陸后先有頭朝下 的位置并且只有之后驅(qū)動器利用一定量浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 35 的能量損耗轉(zhuǎn)換質(zhì)量才能 復(fù)位 的缺點(diǎn)。它存在著一定風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)機(jī)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(shí)卡住。 表二：三個(gè)工作原理的 復(fù)位 機(jī)構(gòu)的加權(quán)評價(jià) 標(biāo)準(zhǔn) 質(zhì)量 （ 1） （ 2） （ 3） 重量輕 4 3 4 簡單 1 3 5 穩(wěn)定性 2 3 4 能量損耗 1 2 5 合計(jì) 1 1：非常不利 — 5：非常有利 第三和最后的 復(fù)位 機(jī)構(gòu)原理（圖四 .3）如“桑迪亞機(jī)器人”所采用的，是一個(gè)完全被動的機(jī)構(gòu) ，通過質(zhì)心位于機(jī)構(gòu)的低部分并創(chuàng)造一個(gè)滾動沖量來 復(fù)位 機(jī)器人。與第二個(gè)解決方案相比，它因?yàn)樵谥懞驮诘孛嫔咸S時(shí)已經(jīng)有很強(qiáng)的趨勢來達(dá)到 復(fù)位位置而更加高效。由于它不需要驅(qū)動器來移動部件，它是很簡單、穩(wěn)定和消耗很少能量的解決方案。因此我們選擇這種原理來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的 復(fù)位 。 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(jì)（ Ullman 20xx）（表三）來比較它們。第一個(gè)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。它是個(gè)簡單的解決方案，但是在地勢不光滑的時(shí)候不夠高效因?yàn)榧词剐〉恼系K也會阻止它轉(zhuǎn)動。此外，它需要結(jié)構(gòu)在機(jī)器人外部有可能對在著陸時(shí)產(chǎn)生潛在損害。 原理（ 2），如“桑迪亞機(jī)器人”（圖二 .1）和 Jollbot（圖二 .4）使用的，包括質(zhì)心的裝換和進(jìn)而改變的跳躍方向。 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(dǎo)它們的逃跑跳躍。這種解決方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動位于結(jié)構(gòu)的內(nèi)部并且因此不太容易被損壞和相比原理（ 1）更牢固。能量損耗相對低因?yàn)椴皇钦麄€(gè)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人質(zhì)量要移動。 然而主要的缺點(diǎn)是不夠高效相比浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 36 別的整個(gè)機(jī)器人在起跳前定向的原理，因?yàn)橘|(zhì)心的轉(zhuǎn)換只能改變起跳角。另一個(gè)潛在的缺點(diǎn)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。這會導(dǎo)致在空中的失控從而降低了跳躍表現(xiàn)或它需要一個(gè)重新增加系統(tǒng)復(fù)雜性的控制策略。 表三：四個(gè)不同操縱機(jī)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(jì) 1 3 1：非常不利 — 5：非常有利 在原理（ 3），如“簡約跳躍機(jī)器人”（圖二 .3）所示，整個(gè)系統(tǒng)圍繞足部。它的主要缺點(diǎn)是為了轉(zhuǎn)動足部必須與地面接觸并且結(jié)構(gòu)的其余部分自由轉(zhuǎn)動，當(dāng)?shù)孛娌黄綍r(shí)會有所不同。 除了這三個(gè)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(shí)現(xiàn)過。它類似于原理（ 3）只是足部固定而結(jié)構(gòu)內(nèi)部轉(zhuǎn)動。這種簡單的結(jié)合在跳躍前的轉(zhuǎn)動作用改變機(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）。因此我們在跳躍機(jī)器人上采用工作原 理（ 4）。 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 37 圖五：操縱機(jī)器人的四個(gè)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)動 3 實(shí)施 發(fā)展我們的跳躍機(jī)器人的下一個(gè)階段是借助 CAD 實(shí)現(xiàn)所選擇的跳躍、 復(fù)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）。在這個(gè)部分中，我們描述了怎樣實(shí)現(xiàn)所選的原理并說明跳躍機(jī)器人的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 38 圖六：跳躍機(jī)器人的 CAD 設(shè)計(jì)和制造原型。我們選擇了 復(fù)位 設(shè)計(jì)原理（圖四 .C）和操縱原理（圖五 .D） 跳躍機(jī)構(gòu) 跳躍機(jī)構(gòu)（圖七）是我們以 前提出的簡約跳躍機(jī)器人（ Kocac et al. 20xx）的進(jìn)一步發(fā)展。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(gè)四桿的腿部連桿來跳躍（圖三）。我們使用 4毫米的直流電機(jī)（ 1）來轉(zhuǎn)動一個(gè)偏心輪（ 2），類似于 Scarfogliero et al.(20xx)。電機(jī)在順勢針方向轉(zhuǎn)動凸輪，通過一個(gè)四級的齒輪箱（ 3）來收緊兩個(gè)扭簧（ 4）。這兩個(gè)彈簧位于腿（ 5）的軸的周圍并固定在框（ 6）和主腿（ 7）上。一旦凸輪的最遠(yuǎn)端到達(dá)，被存在彈簧里的能量驅(qū)動作為四桿機(jī)構(gòu)的輸入桿的主腿。跳躍的高度、起跳的角 度和地面力的輪廓能夠通過改變彈簧設(shè)定（ 8）和腿的幾何形狀（ Kovac et ）調(diào)節(jié)。一次跳躍每 3秒能被執(zhí)行伴隨 350mW 的能量消耗。讀者能參考 Kovac et al.（ 20xx）了解更多的細(xì)節(jié)解釋和所用的跳躍原理的特征。 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 39 圖七：我們跳躍機(jī)構(gòu)的推進(jìn)單元。（ 1） 4 毫米直流電機(jī)，（ 2）凸輪，（ 3）四級齒輪箱，（ 4）兩個(gè)扭簧，（ 5）四桿腿機(jī)構(gòu)，（ 6）鋁框架，（ 7）主腿作為主動桿，（ 8）彈簧設(shè)定，（ 9）使用 5 個(gè)螺栓來固定凸輪和上級齒輪 框架和主腿所用的材料為鋁 7075，腿部為碳棒，齒輪和凸輪為 POM，腿和框架上的連接片為（ PEEK）。不同材料的屬性被總結(jié)在表四。 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)?？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(dǎo)向。為了增加凸輪和上一級齒輪級的連接件的穩(wěn)定性，我們使用五個(gè)螺栓（ 9）而不是兩個(gè)靠近凸輪軸的螺栓。相比于之前的設(shè)計(jì)，他也提供了更高的彈簧設(shè)定（ 8）來規(guī)范彈跳高度?？偟膩碚f，跳躍機(jī)構(gòu)有著相同的重量但相比 Kovac 的系統(tǒng)更結(jié)實(shí)。 復(fù)位 機(jī)構(gòu) 復(fù)位 機(jī)構(gòu)包括一個(gè)設(shè)計(jì)的籠結(jié)構(gòu)使可以被動的轉(zhuǎn)到一 個(gè)適合下一次跳躍的位置（圖八）。碳軸（ 1）與 8 個(gè)垂直 毫米的碳棒（ 2）和四個(gè)水平 毫米的碳環(huán)（ 3）用剛性接頭（ 4）、（ 5）、（ 6）、（ 7）連結(jié)。跳躍機(jī)構(gòu)（ 8）用鋁叉（ 9）附于籠的軸上。為了加強(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)，我們添加了 8條線（ 11）來保持第一個(gè)水平碳環(huán)的軸。 籠的材料是商業(yè)可用的碳棒通過剛性節(jié)點(diǎn)連結(jié)。 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 40 圖八：跳躍機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。（ 1）機(jī)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(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)動是采用電機(jī)和兩個(gè)導(dǎo)向軸實(shí)現(xiàn)的。 毫米的碳管（ 1）與籠的頂端的連結(jié)片（ 2）連接并導(dǎo)向了一個(gè) 1毫米的能自由繞著軸轉(zhuǎn)動的碳桿。一個(gè) 6毫米的直流電機(jī)和內(nèi)置被固定于碳管的 1/25 齒輪箱（ 4）驅(qū)動一個(gè)模數(shù)為 ,齒數(shù)為 81 的固定于碳棒（ 3）和能固定跳躍機(jī)構(gòu)的叉（ 6）的齒輪（ 5）。為了保持軸向的位置并減少碳管（ 1）和碳棒（ 3）之間的摩擦，一個(gè) 毫米的球軸承（ 7）被作為交界處添加 。從電機(jī)到軸的傳動比試 1/225，來產(chǎn)生一個(gè)足夠慢的每分鐘 轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是每分鐘 8000 轉(zhuǎn)。 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）。整個(gè) 復(fù)位 運(yùn)動的過程需要 2 秒。一旦 復(fù)位 ，整個(gè)跳躍機(jī)構(gòu)在籠內(nèi)并能繞著它的數(shù)值軸轉(zhuǎn)（圖九）。起跳順序用 18 毫秒從足部接觸地面到機(jī)浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 41 器人離開地面，起跳速度為 （圖十一）。為了減少落地時(shí)對腿部的損害，跳躍機(jī)構(gòu)的收緊在空中階段就收緊了來保護(hù)籠中的機(jī)構(gòu)。由于重心位于結(jié)構(gòu)的低部分，機(jī)器人位于穩(wěn)定 的 復(fù)位 位置并準(zhǔn)備操縱和重新起跳。 重心的位置位于 厘米高的籠底當(dāng)腿伸展時(shí)， 厘米當(dāng)腿縮回時(shí)。它的位置在籠的較低位置來確保著陸后的消極 復(fù)位 。 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）。電池為 10 毫安電壓 伏。理論上 10 毫安的電池能完成 分鐘的連續(xù)收縮或大約 108 次跳躍。 這個(gè)完整的功能性遙控原型包括電池和電路重達(dá) 克，總尺寸為 18 厘米（表五）。 表五：原型的預(yù)計(jì)重量 零件 質(zhì)量（克） 跳躍機(jī)構(gòu)總質(zhì)量 碳籠和軸 電機(jī)和傳動裝置 遙控裝置 電池 原型 合計(jì) 質(zhì)量 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 42 圖九：操縱機(jī)構(gòu)的實(shí)施，（ 1） 毫米碳管，（ 2）連接片，