【正文】 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。 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)。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）。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 。 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)。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)。為了增加凸輪和上一級(jí)齒輪級(jí)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。（ 1） 4 毫米直流電機(jī)，（ 2）凸輪，（ 3）四級(jí)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(dòng)桿，（ 8）彈簧設(shè)定，（ 9）使用 5 個(gè)螺栓來固定凸輪和上級(jí)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）。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)。我們使用 4毫米的直流電機(jī)（ 1）來轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)偏心輪（ 2），類似于 Scarfogliero et al.(20xx)。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)。它類似于原理（ 3）只是足部固定而結(jié)構(gòu)內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)。這會(huì)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。這種解決方案的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)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。它是個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，但是在地勢(shì)不光滑的時(shí)候不夠高效因?yàn)榧词剐〉恼系K也會(huì)阻止它轉(zhuǎn)動(dòng)。由于它不需要驅(qū)動(dòng)器來移動(dòng)部件，它是很簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和消耗很少能量的解決方案。它是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)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(dòng)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)。然而，它的缺點(diǎn)是它要求附加的驅(qū)動(dòng)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(dòng)。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(dòng)使結(jié)構(gòu) 復(fù)位 ，如“簡(jiǎn)約跳躍機(jī)器人”（圖二， 3）采用的。 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。這種跳躍方式被小動(dòng)物使用如沙漠蝗蟲 (BenClark 1975), 跳蚤 (Gronenberg 1996)和青蛙 (Roberts and Marsh 20xx)。Alexander 1988。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(huì)需 要更大更重的電池從而減小跳躍高度。 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。 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。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。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(píng)估程序來比較它們并提出一種新的實(shí)現(xiàn)行為的方法。營(yíng)救機(jī)器人（ 5）（ Tsukagoshi et al. 20xx）重達(dá) 2 千克能夠由于在輪兩側(cè)的半圓來在著陸后 復(fù)位 ，然后使用類似“偵查機(jī)器人（ 2）”的輪子來轉(zhuǎn)動(dòng)并且氣動(dòng)跳躍。機(jī)器人在跳躍前被轉(zhuǎn)動(dòng)來確保朝確定的方向行進(jìn)?；\子高度為 18 厘米能使機(jī)器人著陸后 復(fù)位 、操縱并重新起跳 圖二：現(xiàn)有能實(shí)現(xiàn)重復(fù)操縱跳躍的跳躍機(jī)器人（ 1） “ 桑迪亞 跳躍者 ” (Weiss 20xx) , （ 2） “ 樓梯 偵查機(jī)器人 ” (Stoeter et al. 20xx) （ 3） “ 簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)跳躍機(jī)器人 ”, 第二版 (Burdick 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 31 and Fiorini 20xx)，（ 4） Jollbot (Armour et al. 20xx)，（ 5） “ 救援機(jī)器人 ” (Tsukagoshi et ) 。在本文中，我們關(guān)注于跳躍機(jī)器人的 復(fù)位 和操縱并且我們呈現(xiàn)了一個(gè)重量只有 14克的新型球形機(jī)器人 系統(tǒng)（圖一）它能夠跳躍，著陸后保持 復(fù)位 ，重新調(diào)整并且再次跳躍。 在機(jī)器人領(lǐng)域，至今許多小型跳躍機(jī)器人已經(jīng)被呈現(xiàn)（ Scarfogliero et al. 20xx。然而一個(gè)小系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是相比大而重的系統(tǒng)著陸時(shí)的沖擊力和因此產(chǎn)生的損害對(duì)于小而浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 30 輕的重量系統(tǒng)會(huì)很?。?Alexander 1988）。我們描述它的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和制造方法，表型它的跳躍表現(xiàn)并且在機(jī)器人必須爬上樓梯和穿越窗戶的障礙情況下演示了遙控重復(fù)模型運(yùn)動(dòng)。它提供的小型系統(tǒng)有助于低能耗并克服相對(duì)大的障礙。 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 29 三、 譯文及原稿 譯文題目 可控微型跳躍機(jī)器人 原稿題目 Steerable miniature jumping robot 原稿出處 Auton Robot 可控微型跳躍機(jī)器人 Mirko Kovaˇc — 總結(jié)整個(gè)課題完成情況，撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。 — 實(shí)驗(yàn)分析及模型動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。理解了仿蝗蟲跳躍機(jī)器人設(shè)計(jì)的功能并準(zhǔn)備進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。問題的復(fù)雜性在于實(shí)時(shí)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，根據(jù)研究的機(jī)器人的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在所用的分析方法很多，有拉格朗日法、牛頓 — 歐拉法、高斯法等。仿生彈跳機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，是由多個(gè)構(gòu)件和多個(gè)關(guān)節(jié)組成，具有多個(gè)力和運(yùn)動(dòng)的輸入和輸出，它們之間存在錯(cuò)綜 復(fù)雜的耦合關(guān)系，具有嚴(yán)重的非線性。故驅(qū)動(dòng)軸向運(yùn)動(dòng)的電機(jī) 功率較小，也可考慮使用同時(shí)能實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)，可減少電機(jī)數(shù)量進(jìn)一步減輕機(jī)器人重量。 前段萬向輪具有 2級(jí)減震，可以減小跳躍機(jī)器人在落地時(shí)的沖擊。 a 蝗蟲 腿部示意圖； b 基于解剖學(xué)的 蝗蟲 變量分析 表 一 力學(xué)分析的變量 變量名 描述 x? 質(zhì)心水平加速度 y? 質(zhì)心垂直加速度 xG 作用于踝骨的水平地面反作用力 yG 作用于踝骨的垂直地面反作用力 tL 脛節(jié)長(zhǎng)度 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 25 fL 大腿骨長(zhǎng)度 t? 脛節(jié)角 f? 大腿骨角 ? 大腿骨末端及脛節(jié)末端連線與水平線之間夾腳 M 動(dòng)物質(zhì)量 以上為仿蝗蟲彈跳機(jī)器人的概念圖，主要分行走模塊和彈跳模塊兩部分， 通過五級(jí)接觸來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、儲(chǔ)能和調(diào)節(jié)跳躍角度。 yx????1tan??仰角 （ 2） 用實(shí)際質(zhì)量和重力重復(fù)計(jì)算。 (3)增大起跳時(shí)間和調(diào)整起跳角度。 (2) 增大機(jī)器人躍遠(yuǎn)度。 所得到的剛體彈性單元模型如下： 多剛體模型 西北工業(yè)大學(xué)的岳映章、葛文杰進(jìn)行了仿袋鼠跳躍機(jī)器人的剛?cè)峄旌辖＿\(yùn)動(dòng)步態(tài)分析。 西北工業(yè)大學(xué)的葛文杰、詹望進(jìn)行了仿袋鼠跳躍機(jī)器人多剛體動(dòng)力學(xué)研究。雙質(zhì)量模型彈跳機(jī)構(gòu)主要采用被動(dòng)方式。 跳躍彈簧單質(zhì)量模型 圖中 m 為袋鼠的總質(zhì)量： 0l 為彈簧的原始長(zhǎng)度 (即動(dòng)物 跳躍至腳趾 剛 觸地時(shí) 刻其質(zhì)心與腳 觸地點(diǎn)之間的距離 )； 0a 為觸地角 (即袋鼠腳趾觸地時(shí)與水平地面問夾角的較小值 )； k 為彈簧剛度系數(shù)； l? 為著地階段袋鼠腿部伸縮 最大變化量?？梢酝ㄟ^縮短長(zhǎng)度提高弗勞德系數(shù)，以達(dá)到跳躍狀態(tài)。在跳躍物與地面接觸階段，弗勞德系數(shù)可理解為向心力和重力之比，理論上 Fr 超過 1 時(shí)，支撐足產(chǎn)生的向心力超過重力，所支撐的物體將騰空。從表 1的生物學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以亦看出這一趨勢(shì)。 設(shè)跳躍機(jī)器人足長(zhǎng)為 l ，機(jī)器人外形尺寸與足長(zhǎng)成一定比例關(guān)系，記為 ： d∝ ， 可推得 ： mg∝ （ 1） 設(shè)機(jī)器人足的最大屈服應(yīng)力為 maxF 。 2 調(diào)研報(bào)告 跳躍理論優(yōu)勢(shì) 自然界各物種體積差別很大。在外星際探測(cè)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(jī)構(gòu)在這種低重力的外星際探索中極具優(yōu)勢(shì)。 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 16 6 參考文獻(xiàn) [1]劉壯志，席文明，朱劍英，吳洪濤 彈跳式機(jī)器人研究 機(jī)器人 ROBOT， [2]陳大競(jìng)，朱丹華，劉偉庭，陳裕泉 微型仿生跳躍機(jī)器人的研究與發(fā)展 國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程雜志， [3]岳映章，文杰，柏龍 仿袋鼠跳躍機(jī)器人的剛?cè)峄旌辖＿\(yùn)動(dòng)步態(tài)分析 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， [4]詹望 . 仿袋鼠跳躍機(jī)器人多剛體動(dòng)力學(xué)研究 [D]：［碩士學(xué)位論文］．西北工業(yè)大學(xué)， 20xx [5]夏旭峰 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 [D]：［碩士學(xué)位論文］西北工業(yè)大學(xué)， 20xx [6]楊繪宇，王石剛，梁慶華，鄧奇 仿蝗蟲跳躍機(jī)器人起跳過程運(yùn)動(dòng)學(xué)建 模及分析 機(jī)械設(shè)計(jì)， [7]李向陽，葛文杰，楊 方 考慮腳部柔性的仿袋鼠跳躍機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性研究 機(jī)器人 ROBOT， [8]王瑜，何廣平 雙臂單腿跳躍機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模與仿真 北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， [9]葛文杰，沈允文，楊方 仿袋鼠機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué) 機(jī)械工程學(xué)報(bào) [10]楊文綱，陸震 單足跳躍機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與仿真 機(jī)械與電子， [11]路甬祥．仿生學(xué)的意義與發(fā)展．科學(xué)中國(guó)人， 20xx: 2224. 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E., amp。大部分輪式機(jī)器人僅能跨越與輪直徑相近的障礙。這就需要在跳躍機(jī)器人中加入自動(dòng)控制系統(tǒng)。提高運(yùn)動(dòng)效率，并提供接地緩沖功能。如青蛙在彈跳時(shí)瞬間輸出力是后肢肌肉平均輸出力的 7 倍。從步態(tài)軌跡上看 ,柔性腳踝關(guān)節(jié)軌跡在起跳階段迅速上升 ,提高了機(jī)器人的起跳速度 ,進(jìn)而增大跳躍機(jī)器人的躍遠(yuǎn)度。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(shí)也可減小軀干質(zhì)心運(yùn)動(dòng)在這一階段的上下波動(dòng)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。這種方式使彈跳間隔時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)不太靈活。 單足跳躍模型 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 12 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(shí)際機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)要水平速度分量，需要能夠在空中主動(dòng)地調(diào)整姿態(tài)，以避免落地時(shí) 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。 3 彈跳機(jī)器人的彈跳機(jī)構(gòu)及幾種動(dòng)力學(xué)模型分類 目前實(shí)際彈跳機(jī)構(gòu)構(gòu)造有兩類方法，一類是從自然界生物的彈跳動(dòng)作中獲得啟發(fā)，進(jìn) 行仿造，稱為仿生彈跳機(jī)構(gòu)．如機(jī)械蟋蟀與機(jī)械貓等。之間不同的起跳角度。 圖 3 籠式 EPFL 跳躍機(jī)器人 國(guó)內(nèi)諸多高校也對(duì)跳躍機(jī)器人展開了一定的研究。 圖 1 樓梯跳躍機(jī)器人 意大利圣安娜高等研究學(xué)院 CRIM 實(shí)驗(yàn)室 Dario 教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組于 20xx 年研制了 Grillo 微型跳躍機(jī)器人 (圖 2)?？梢酝ㄟ^縮短長(zhǎng)度提高弗勞德系數(shù)，以達(dá)到跳躍狀態(tài)。在跳躍物與地面接觸階段，弗勞德系數(shù)可理解為向心力和重力之比，理論上 Fr超過 1 時(shí)，支撐足產(chǎn)生的向心力超過重力，所支撐的物體將騰空。從表