【正文】 的縮小，跳躍長(zhǎng)度會(huì)增加，這與動(dòng)物觀測(cè)結(jié)果相同，體型更小的動(dòng)物跳躍單位身長(zhǎng)更長(zhǎng)。與質(zhì)心到支撐點(diǎn)長(zhǎng)度也有關(guān)系。弗萊德系數(shù)亦可被理解為動(dòng)能和勢(shì)能之比，通過(guò)實(shí)際觀測(cè)，當(dāng) Fr 超過(guò) 時(shí)，動(dòng)物步態(tài)從爬行轉(zhuǎn)為奔跑，當(dāng) Fr 逐步增大超過(guò) 1后， 重力作用無(wú)法抵消動(dòng)能，浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 19 每次跳躍長(zhǎng)度和高度將增加，騰空時(shí)間進(jìn)一步增加，步態(tài)從奔跑逐漸向跳躍轉(zhuǎn)變。 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(diǎn)長(zhǎng)度（實(shí)際中可以理解為機(jī)器人或動(dòng)物的足長(zhǎng)）。因此無(wú)論是自然界中的小體型動(dòng)物還是人造小型機(jī)器人。 由 (2)式可推得，當(dāng)體積縮小時(shí)，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(shí)的最大加速度的不同。即為機(jī)器人足與接觸面間的最大受力。通過(guò)雙腳跳躍移動(dòng)速度能達(dá)到 80 身長(zhǎng)／ s。因此在研究對(duì)比動(dòng)物運(yùn)動(dòng)中以 每秒移動(dòng)單位身長(zhǎng)數(shù)浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 18 作為衡量速度的標(biāo)準(zhǔn)更為科學(xué)。尤其在仿生跳躍機(jī)器人的彈跳模型、跳躍機(jī)理、樣機(jī)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)方面，國(guó)際上也尚處于研究的初始階段。 仿生學(xué)（ bionics）是上世紀(jì) 60 年代興起的一門(mén)學(xué)科，以昆蟲(chóng)為對(duì)象的仿生學(xué)研究和應(yīng)用一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。跳躍運(yùn)動(dòng)可以越過(guò)數(shù)倍于自身的障礙物，若與原有運(yùn)動(dòng)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(dòng)空間與自主性，且易于微型化，活動(dòng)能力更強(qiáng)，在考古、反恐、戰(zhàn)場(chǎng)偵察等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 Papanikolopoulos, N. (20xx). Autonomous stairhopping with scout robots. In IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems, Vol. 1,pp. 721– 726. 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 17 二、 開(kāi)題報(bào)告： 仿蝗蟲(chóng)跳躍機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析 1 背景 在地球陸地表面，有超過(guò) 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(wú)法完全實(shí)現(xiàn)在這些自然環(huán)境下的自主移動(dòng)。跳躍機(jī)器人在平坦地段可以采用爬行方式，該狀態(tài)時(shí)穩(wěn)定性較輪式機(jī)器人高，適于攜帶各類精密探測(cè)儀器。造成輪式機(jī)器人小型化后會(huì)降低其越障通行能力。 5 應(yīng)用前景 在地球陸地表面，有超過(guò) 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(wú)法完全實(shí)現(xiàn)在這些自然環(huán)境下的自主移動(dòng)?？墒褂脝纹瑱C(jī)與加速度傳感器，通過(guò)讀取加速度傳感器出處，獲知機(jī)器人當(dāng)前平衡狀態(tài)。并通過(guò)調(diào)整翅翼傾斜角度保持機(jī)器人的穩(wěn)定。 在跳躍過(guò)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。同時(shí)使用彈性材料制作機(jī)器人足還可以存儲(chǔ)著陸觸底階段的能量。瞬間爆發(fā)力主要是由肌腱和肌肉間的彈 性提供的。 鐘擺型與彈射型結(jié)合，利用關(guān)節(jié)臂擺動(dòng)控制彈簧的伸縮，達(dá)到彈跳目的．其原理類似于人在蹦極時(shí)的動(dòng)作，不同的 是彈簧固定在機(jī)構(gòu)中一起跳躍． 混合型彈跳其運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，只要關(guān)節(jié)臂與彈簧協(xié)調(diào)動(dòng)作，可以連續(xù)彈跳．但機(jī)構(gòu)從靜止到躍過(guò)障礙物需要數(shù)次彈跳來(lái)積累能量，以達(dá)到預(yù)定彈跳高度，而且控制過(guò)程中必須用傳感器能感知跳起高度、何時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)、何時(shí)落地等控制關(guān)節(jié)臂所必須的變量．因而對(duì)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)控制要求較高． 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 15 雙擺跳躍機(jī)器人模型 混合型彈跳機(jī)構(gòu) 4 跳躍機(jī)器人的動(dòng)力及穩(wěn)定性控制 在自然界高等生物各類運(yùn)動(dòng)中，肌腱的彈性儲(chǔ)能和釋放發(fā)揮了重要作用。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(jī)器人的跳躍。由于柔性腳具有儲(chǔ)能特性 ,在機(jī)器人落地時(shí)柔性腳將落地的沖擊轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能并在起跳階段將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能釋放。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(yùn)動(dòng)而加大了地面的反力、沖擊和能量的消耗。 多剛體添加柔性模型 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 14 添加柔性的剛體模型相比剛體模型具有以下幾個(gè)特點(diǎn) :(1) 提高機(jī)器人落地穩(wěn)定性。 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 13 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。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(guò)矯正機(jī)構(gòu)來(lái)恢復(fù)彈跳姿態(tài)。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 北京航空航天大學(xué) ,對(duì)單足跳躍機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ,建立了機(jī)器人在著地階段和騰空階段的動(dòng)力學(xué)模型。 另一類方式是利用簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)產(chǎn)生彈力，這種方法機(jī)構(gòu)自由度少，動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)單，浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 10 實(shí)現(xiàn)相對(duì)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。上海交通大學(xué)的楊繪宇等人進(jìn)行了仿蝗蟲(chóng)跳躍機(jī)器人起跳過(guò)程運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)分析的 D－ H 法，建立了各構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。哈爾濱工業(yè)大學(xué)做了仿青蛙跳躍機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究。～ 90176。南京航空航天大學(xué)研制了具有跳躍能力的輪式移動(dòng)機(jī)器人，采用六 連桿式蓄能機(jī)構(gòu)。 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(shí)驗(yàn)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(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 9 成跳躍、依靠重力及外部籠來(lái)復(fù)位、調(diào)節(jié)跳躍角并重新起跳的全過(guò)程，重 14g、高 18厘米，最大跳躍高度可達(dá) 62 厘米。采用 4 根彈簧作為保持穩(wěn)定的前足，帶有彈簧驅(qū)動(dòng)器的后足提供彈跳動(dòng)力。機(jī)器人在跳躍前被轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)確保朝確定的方向行進(jìn)。隨著外形尺寸的縮小，跳躍長(zhǎng)度會(huì)增加，這與動(dòng)物觀測(cè)結(jié)果相同，體型更小的動(dòng)物跳躍單位身長(zhǎng)更長(zhǎng)。與質(zhì)心到支撐點(diǎn)長(zhǎng)度也有關(guān)系。弗萊德系數(shù)亦可被理解為動(dòng)能和勢(shì)能之比，通過(guò)實(shí)際觀測(cè)，當(dāng) Fr 超過(guò) 時(shí)，動(dòng)物步態(tài)從爬行轉(zhuǎn)為奔跑，當(dāng) Fr 逐步增大超過(guò) 1后，重力作用無(wú)法抵消動(dòng)能，每次跳躍長(zhǎng)度和高度將增加，騰空時(shí)間進(jìn)一步增加，步態(tài)從奔跑逐漸向跳躍轉(zhuǎn)變。 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(diǎn)長(zhǎng)度（實(shí)際中可以理解為機(jī)器人或動(dòng)物的足長(zhǎng)）。因此無(wú)論是自然界中的小體型動(dòng)物還是人造小型機(jī)器人。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(shí)，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(shí)的最大加速度的不同。 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 ： 浙江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述 6 d∝ ， 可推得 ： mg∝ （ 1） 設(shè)機(jī)器人足的最大屈服應(yīng)力為 ： maxF 。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。 1 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%）。近年來(lái)，隨著仿生機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，模仿動(dòng)物的肢體或按動(dòng)物跳躍運(yùn)動(dòng)機(jī)理設(shè)計(jì)的仿生彈跳機(jī)構(gòu)日益受到人們的關(guān)注。 開(kāi)題報(bào)告要求： 在廣泛閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的有關(guān)要求和主要研究?jī)?nèi)容，認(rèn)真完成畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告的撰寫(xiě)工作，開(kāi)題報(bào)告應(yīng)包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的研究意義、國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀、論文的主要研究?jī)?nèi)容、研究方案和可行性、具體的研究計(jì)劃和時(shí)間安排等部分內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，完成開(kāi)題報(bào)告的答辯工作。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 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(guó)家有關(guān)部門(mén)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。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 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(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō) 明并表示了謝意。 本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)） 文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告 題目 仿蝗蟲(chóng)跳躍機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)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。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)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(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)（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?、縮印、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)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。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(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 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(píng)閱書(shū) 指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)： 一、撰寫(xiě)（設(shè)計(jì)）過(guò)程 學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過(guò)程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問(wèn)題的能力 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、論文（設(shè)計(jì)）水平 論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文的觀念是否 有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建議成績(jī)： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所選等級(jí)前的□內(nèi)畫(huà)“√”） 指導(dǎo)教師： （簽名） 單位： （蓋章） 年 月 日 評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū) 評(píng)閱教師評(píng)價(jià)： 一、論文（設(shè)計(jì) ）質(zhì)量 論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格