孙立宁李伟达李满天蒋振宇郭伟

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1、第46卷第9期机械工程学报Vol.46No.92010年5月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGMay2010DOI：10.3901/JME.2010.09.012*基于碰撞力的谐振致动机理与试验孙立宁李伟达李满天蒋振宇郭伟(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150080)摘要：单侧碰撞约束的双摆是一个复杂的动力系统，有多种多样的运动形式。对初始条件为接触的单侧碰撞约束双摆在正弦激励下的运动特性进行研究时发现，当激励频率与系统特性匹配时，只需很小的激励双摆的末端就会与约束分离

2、，从而进入碰撞振动状态，且此时双摆每次与约束碰撞产生的切向冲量的概率分布具有不变性，即碰撞力具有驱动效果。根据这种特性提出一种基于碰撞力的谐振致动机理。基于该致动机理，模拟双摆的力学特性，设计谐振式驱动足，并研制移动机构样机。通过试验证明谐振足与地面约束的碰撞力具有驱动效果，在幅值为10V的正弦激励下，样机的移动速度可达172mm/s。基于碰撞力的谐振致动机理具有结构简单、易于实现、运动速度快的优点，可以很好地适应微小型移动机器人的需求。关键词：微小型机器人致动机理谐振中图分类号：TP242Experimentsa

3、ndResonantLocomotionPrincipleBasedonImpactForceSUNLiningLIWeidaLIMantianJIANGZhenyuGUOWei(StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150080)Abstract：Doublependulumwithunilateralconstraintsisacomplexsystem,whichhasmanydynamicbehavio

4、rs.Thedynamicsofadoublependulumcontactingwithconstraintsininitialconditionsisstudied,anditisfoundthatonlyverysmallexcitationisneededtoseparatethependulumandtheconstraintwhentheexcitationfrequencyisappropriate,thenthesystementersvibro-impactstate.Inthisstate,th

5、eprobabilitydistributionoftangentialimpulsegeneratedbyeveryimpactisinvariable.Theimpactforceshowstheabilityofdrivingrobottomove.Basedonthisprinciple,bysimulatingthecharacteristicofdoublependulum,resonantlegsandaprototyperobotaredeveloped.Experimentresultsshowt

6、hattheimpactforcebetweenresonantlegandgrounddohavedrivingeffect,andavelocityof172mm/scanbegotwith10Vdrivingvoltage.Theresonantlocomotionprinciplecanfitthemicroandminiaturemobilerobotswellforitissimple,easytoimplementandfast.Keywords：MicroandminiaturerobotLocom

7、otionprincipleResonant难以满足微小型移动机器人的作业要求。因此，寻*0前言求简单、高效的新型致动机理是微小型机器人研究要解决的关键问题。微小型移动机器人以其体积小、机动灵活、节在研究初期，一些样机采用了以尺蠖式为代表[11-12]约能源等优点，在工业检测、微机电系统组装、微的准静态致动机理，解决了机构的小型化问题，外科手术、生物工程、光学工程等领域有着广阔的并能够实现较高运动分辨力，但这类机器人的移动[1-4]速度通常很低。随后，大量微小型机器人采用了以应用前景，并逐渐成为了机器人研究的热点领

8、域。一些学者尝试将传统的轮、履式和腿足式机器粘滑式、惯性冲击式为代表的惯性致动机理，如美[5-10]国麻省理工大学研制的NanoWalker[13]、德国卡尔斯人小型化来研制微小型移动机器人。但研究发[14]现传统的移动机构往往结构复杂而不易小型化，考鲁厄大学研制的Miniman系列机器人等。这类机虑到尺度效应，其小型化后的运动性能也大打折扣，器人的结构更加