仿蟋蟀机器人跳跃运动性能的分析

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1、江南人学碗十学1十论文是它1门的蓄能装置原理围。机器人韵腿部在y方向压缩和忡展．该菱形机构把x方向弹簧的线性伸缩转化成y方向的非线性伸展和压缩，可以降低机构提前起跳的可能性和培大效率地利用弹簧内储蓄的能量。实验表明，这种蓄能装置优于第一代弹跳机器人采用的线性弹簧弹跳装置，能量利用率从20％提高到J'70％。(a)KenKen单照机嚣人煦S(b)KCaKen单隧机嚣人螬构朦理田圈I．3日本KenKen仿袋鼠单艟机器人FigI-30ne—leggedbionickangarcmhoppingrobo

2、tKenKen1991年美国的Zeglin[”怔Lee和Raibert[1”研究动物腿部模型的基础上t试制了袋鼠机器人的单腿模型Uniroo。日本东京大学科研人员在2003年又做了改进·研制了类似的袋鼠机器人“Kenkeit”㈣(圈1．3)，体宽30cm、高20era，两条腿长40cm-重量仅l6h，小巧玲珑。其弯曲的j叹艟、着地姿势和重心调靛方法与真袋鼠一样·它不仅能够完成稳定的跳跃动作，还可以在裸援的岩石上轻捷地移动。这种机器人的出现，解第一章绪论决了人类探索宇宙空间的难题。在不久的将来，仿

3、袋鼠机器人将在行星探索中一显身手。(3)模仿昆虫的跳跃机器人美国阿拉巴马州大学I拘SungHoPark[2l】在研究昆虫的跑跳运动时，建立了昆虫腿的多刚体模型，并利用牛顿一欧拉法建立了该模型的运动方程，分析了昆虫跳跃时脚的运动轨迹、地面反作用力、能量转换，最后编制了计算机仿真软件“WALK"对四足的移动机器人进行了动态机器人和仿真分析。2．国内研究现状在国内，仿生弹跳机器人的研究还处于起步阶段，对于这～领域的研究内容主要集中于运动学、动力学、速度和力的传递性能以及其他有关仿生弹跳机器人的运动性能

4、方面的研究。目前比较具有代表性的是有关仿蛙弹跳机器人、仿袋鼠弹跳机器人方面的相关研究，以及仿蝗虫跳跃机器人的研究等等。(1)仿蛙弹跳机器人厦门大学的杨小传等人【22l基于仿生学原理，通过模仿青蛙的跳跃，设计并制作了一种结构简单、新颖的弹跳机构。通过将其简化为双质量弹簧模型，得出了其能实现跳跃时弹簧所储存的最小能量，并在此基础上进一步推导出双质量弹簧系统在空中阶段质心和底座重心运动规律。哈尔滨工业大学的赵杰等人【23J通过对青蛙跳跃的三个阶段进行观察和运动学分析来获得青蛙跳跃时的相关参数，这些参数

5、被用于仿青蛙跳跃机器人的动力学分析和设计，并以此为依据设计了仿青蛙跳跃机器人的后腿机构模型。此机器人机构由五连杆的弹簧／连杆的后腿机构组成，由直流电机驱动。其跳跃能力和青蛙相比已非常接近。(2)仿袋鼠弹跳机器人西北工业大学的葛文杰等人【24‘31】对仿袋鼠弹跳机器人进行了研究，将仿袋鼠机器人机构简化为单腿模型进行讨论。分别提出了袋鼠机器人腿部的刚性模型、柔性模型或伪刚体模型并分别对其运动机理等方面进行了大量的研究工作。在文献[24]中，葛文杰等人提出了袋鼠跳跃机器人机构模型及运动学的研究方法。他

6、们基于对袋鼠的运动结构及录像资料的研究，提出了仿袋鼠机器人单腿四杆跳跃机构的分析模型并采用D．H法建立了机器人着地与腾空两个阶段的运动学方程，进行了正运动学研究，给出了机器人在跳跃过程中的运动位姿及躯干质心的运动轨迹表达式，并利用雅可比矩阵建立了机器人躯干质心与关节之间的微分运动关系及速度分析方法。采用MATLAB编程，结合实例对机器人进行了运动仿真运算，对结果进行了分析讨论，解释了袋鼠跳跃运动跃远度大而耗能低和运动稳健的运动机理。研究结果与录像观察和生物学实测研究结果相吻合，从而证明了这一仿生

7、跳跃机构模型的可行性和仿生机构运动研究方法的有效性。在文献[25]中，葛文杰等人又依据袋鼠生物体的运动结构和跳跃运动特点，利用扭转弹簧模拟其关节柔性和肌肉的储能作用，提出仿袋鼠柔性跳跃机器人的伪刚体机构模型。应用凯恩法建立仿袋鼠跳跃机器人的动力学方程。并且基于MATLAB6．5，结合实例对机器人的运动和驱动力特性进行了仿真分析。分析结果表明：利用柔性机构可降低5江南大学硕士学位论文仿生跳跃机器人跳跃运动所需关节驱动力和能量消耗，同时也揭示了袋鼠跳跃运动快而耗能低的规律。关于仿袋鼠机器人的动力学研

8、究，还有在文献[26]中，西北工业大学的詹望根据提出的仿袋鼠机器人的单腿刚性模型建立了相应机构在着地阶段的运动学方程，并运用拉格朗日法建立相应的动力学方程。然后结合实例，用MATLAB计算了机器人在着地阶段关节力矩和地面作用力随时间变化的规律，并对其进行了分析和讨论。(3)仿蝗虫跳跃机器人哈尔滨工业大学的余杭杞【32】对四足仿生跳跃机器人的起跳机理进行了研究并设计了原理样机：首先系统地分析了国内外腿型仿生跳跃机器人的研究现状，从机器人的跳跃理论模型上进行了分类，并介绍了国内外研究跳跃机器人起跳动