跳跃式机器人的研究与机构设计

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1、跳跃式机器人的研究与机构设计张伯瑜，王奥博，马亚洲，夏囯俊，唐微，林科,罗庆华（航天与建筑工程学院学院，哈尔滨工程大学，哈尔滨，150001，中国）照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景摘要：机器人在实际应用时,很多时候要求其具备弹跳装置以便跃过障碍物或沟渠。而多轮驱动以及爬行或步行机器人无法满足这种要求,而具有弹跳能力的机器人可以跃过数倍于自身高度的障碍物或沟渠，对地形有较强的适应力。本文对跳跃式机器人的弹跳运动进行了介绍，并对连续型弹跳机器人和间歇型弹跳机器人各自特点做了分析，对弹跳机器人的构建方法以及研究起源进行了综合

2、的介绍和分析,并在此基础上介绍了作者设计的两种弹跳机器人。本文同时也对未来弹跳机器人的发展趋势做了展望。关键词：机器人;弹跳运动;弹跳机器人；机械结构设计77自主运动式机器人的最大挑战之一是提高运动的灵活性。当前很多机器人在实验室平滑地面上可以完成复杂的任务，然而在不可预测的复杂地形环境下其性能大打折扣，甚至变得毫无用处。随着应用的普及，机器人经常需要面对恶劣的环境和复杂的地形，这就要求机器人具有很强的自主运动能力及生存能力。目前自主运动式机器人主要采用的运动方式有：滚动，轮式或履带式移动，多足爬行或两足步行。滚动运动方式运动灵活性

3、上不具优势，越障能力极低。轮式或履带式移动机器人机构简单，运动时消耗能量不多，但是很难越过高度超过限制的障碍物，随着机器人形体的减小，地形对运动的限制作用越来越大。步行或爬行机器人翻越障碍物的能力稍强，但是机构复杂，自由度、关节、驱动部件较多且控制复杂，实际应用受到限制。跳跃式机器人可以跃过数倍于自身高度的障碍物或沟渠，对地形有较强的适应力，且跳跃运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险。特别在星际探测中，由于各个星球的重力加速度小于地球，跳跃式机器人具有良好的应用前景。此外，跳跃式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，可以

4、在可达到的地面上选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足部的支撑点，也能够实现落足。1跳跃运动和跳跃式机器人1.1跳跃运动自然界中具有跳跃能力的生物体多种多样，按照跳跃方式的不同，跳跃运动可分为间歇性跳跃运动和连续性跳跃运动。1间歇性跳跃运动间歇性跳跃运动的特点为：生物体进行完一次跳跃运动后，需要在地面停顿一定时间才能进行下一次的跳跃。在这个短暂时间段里，生物体需完成身体姿态的恢复、调整下一次跳跃的方向、进行下一次跳跃能量的积蓄等工作。青蛙和蝗虫的跳跃运动可以归为间歇性跳跃运动。青蛙的前肢较后肢短小，平常后肢是折

5、迭起来的。青蛙的跳跃主要靠后肢的推动力，后肢的外型与原理都跟弹簧相似。青蛙前肢的功能，类似汽车的避震器，是用来缓冲跳跃后着陆的冲击力。青蛙跳跃时初速为1.2m/s，最高点达23cm，远达50cm。青蛙能跳到自身长度的12倍。蝗虫的后足特别发达，当它们后足的腿节和腓节由褶折状态突然伸直时，就产生跳跃的动作。一只重约3g的蝗虫双腿能产生初速为3.4m/s的力量跳离地面。一只5龄的蝗虫可跳30cm高，70cm远。值得一提的是，青蛙或蝗虫在跳跃落地后，身体有可能会倾覆。在下一次跳跃前，必须进行姿态的恢复，这也是间歇性跳跃与连续性跳跃的主要区

6、别之一。2连续性跳跃运动连续性跳跃运动的特点为：跳跃运动是一环接一环的连续性跳跃，生物体在动态运动中保持身体的平衡。两次跳跃在地面停顿时间极短，诸如身体姿态的平衡与恢复、跳跃方向的调节、跳跃能量的积蓄等动作都是在跳跃过程中动态完成的。袋鼠的跳跃运动是典型的连续性跳跃运动。生活在澳洲草原上的袋鼠以跳跃代步，能进行连续性的跳跃，跳跃过程中用尾巴进行平衡。一只18kg重的大袋鼠，跳起来最高近3m，最远达9m，跳跃高度是其自身高度的5倍。7袋鼠的一个跳跃周期可以分为腾空和着地两个阶段，腾空阶段为从趾离地到着地的过程，着地阶段为从袋鼠趾触地到

7、蹬离地面的过程。以小腿与地面垂直的时刻为分界，每个阶段又分别由两个子阶段组成。从趾蹬离地面到小腿与地面垂直的时刻是腾空阶段的初始阶段，称为上升阶段；从小腿与地面垂直的时刻到趾接触地面的时刻是腾空阶段的结束阶段，称为下降阶段。从趾接触地面到小腿与地面垂直的时刻是着地阶段的初始阶段，称为压缩阶段；从小腿与地面垂直的时刻到趾蹬离地面的时刻是着地阶段的结束阶段，称为起跳阶段或反弹阶段。Dawson和Taylor(1973年)得出的袋鼠的主要跳跃特征是：当袋鼠跳跃达到一定速度后，跳跃的能量消耗将维持一定的水平并有略为下降的趋势；袋鼠的跳跃频率

8、随着速度的增大而轻微的增大；袋鼠的跳跃比四足动物的奔跑要节约能量。3两种跳跃运动的比较通过对一些生物体跳跃运动的介绍和分析，可以得出间歇性跳跃运动和连续性跳跃运动的异同点。相同点：跳跃运动大都由腿部产生，方便了建模研究，不同模型可以相