仿蝗虫式探测性跳跃机器人【文献综述】

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1、毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化仿蝗虫式探测性跳跃机器人1.引言目前地面移动机器人的运动方式主要有轮式、履带式，并且它们在军事和星际探索上已经得到了广泛的应用，但轮式和履带式机器人却有越障能力差和能耗大的缺点。除了这两种传统的运动方式,近四十年来，人们把目光对准了生物界,在35亿年的进化过程中,生物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式,这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。科学家们向生物学习,创造出了众多高性能的仿生机器人，尽管现在大都处于实验室样机状态。目前仿生机器人的主要运动方式为爬行或步行,如蛇形机器人、机器猫、机器狗等。步行或爬行机器人自由度多,控制复杂,运动缓慢,而且遇到障

2、碍物同样无能为力。跳跃机器人在地面上的活动能力与其他运动方式相比有很大的优势，特别是受生物跳跃运动的启发，仿生跳跃机器人更是有着常规机器人所不具备的运动特性，其强大的越障能力，极快的跳跃速度、强大的地面适应能力、广阔的移动范围，为它在星际探索、反恐、军事以及仿生学的发展提供了良好的发展前景。2.研究现状⑴当前主要在美国和日本存在一些机构进行弹跳机构的研究，但研究目的与方式有所不同。日本跳跳机器人主要研究的是机器玩具与机器宠物，美国则主要偏向于太空探索与军事应用服务，关于弹跳的理论研究集中于连续弹跳运动动态稳定性的非线性动力学分析10。其基本模型为一活塞连杆机构(图1)，有一个X方向的平移自

3、由度以及足部和身体之间的旋转自由度，M．H．Raibert专门著书论述了这一模型1。图1弹跳机构理想模型目前实际弹跳机构构造有两类方法，一类方式是利用简单机构产生弹力，这种方法机构自由度少，动力学模型简单，实现相对容易。根据能量积累方式的不同可分为钟摆型，弹射型，混合型等。另一类是从自然界生物的弹跳动作中获得启发，进行仿造，称为仿生弹跳机构。如机械蟋蟀与机械猫等14。4仿生法特点是多自由度、多关节协同动作完成弹跳及爬行动作。关节自由度多，动力学模型复杂，难以实现稳定的运动。因此仿生机构目前只是处于理论分析与技术预研阶段。跳跃机器人必须对能量进行高效的吸收利用，比如落地碰撞产生的能量以及从高

4、处下落过程中和越过沟壑时积蓄能量。另外，由于机器人在跳跃后可能陷入沟渠，或者两个驱动轮离地，使其不能移动，这时需要机器人跳出困境，这就需要气缸能够回到垂直方向。因此还需要电机来驱动气缸转动使其能够回到垂直方向，然后通过静止跳跃跳出，达到拜托困境继续前进的目的。由于使用的是气缸跳跃，机器人身上装有两个气罐，里面是高压空气，由于使用的气源是一次性的，因此为了机器人你跳跃次数更多，行程更远，那么就要对不同的障碍物采用不同的跳跃高度，以节省气源。因此有必要研究机器人的跳跃高度控制以及如何提高最大跳跃高度。机器人的跳跃是被限制在垂直方向，从高压气体注入气缸到机器人跳跃最高点，分为3个过程，分别为活塞

5、不动气缸向上运动，气缸和活塞发生能量传递，气缸和活塞一起运动到最高点，不难想象，机器人的质量分配和气缸的内腔面积等对跳跃高度都有影响，因此需要找出最佳的缸体形状。在保证总体小型轻量的前提下，通过实验来研究最佳的结构跟质量分配以达到最大的跳跃高度。另外随着近期反恐、战场侦察的需要，国外很多研究机构又开始从事微小弹跳机构的研究，并且陆续研制出一些原型实验机。典型样机有喷气推进实验室（JPL）的Hopper（图2）和日本宇宙科学研究所（ISAS）的MINERVA（图3）。特点是结构形式脱离了“附着”的概念，执行器最少，体积小，重量轻，结构紧凑。环境适应性强。越障性能好；但着陆姿态不好预测，对机械

6、结构耐用性要求高，需要特别的初始姿态恢复装置等。图2Hopper图3MINERVA图4双弹簧式平衡机构双弹簧式平衡机构履带式机器人Resquake采用双弹簧式平衡机构（图4）2-8。悬挂系统附带一对线性弹簧通过滑动轴承分别铰接于机体两侧。当无外力作用时，悬挂系统能够保持固定姿态；否则，悬挂系统将能在弹簧的辅助下调节位姿适应地形。该平衡机构增强了机器人在崎岖地面上的适应性和稳定性，减弱了由于碰撞引起的振动。4将蝗虫放在一个顶部装有日光灯的透明玻璃箱中，玻璃箱尺寸为2000ｍｍ×80ｍｍ×1500ｍｍ。采用高速摄像机（FASTCAM10KModel500型）进行拍摄，实验过程中拍摄频率为500

7、帧/S。图5是黄胫小车蝗跳跃过程的几个典型图片。黄胫小车蝗跳跃特征如表16。表1黄胫小车蝗的结构参数仿蝗虫机器人的后腿主要起支撑作用，其受力明显比其他腿大得多，并且在有加速度的条件下，附加力矩增大。后腿的最大受力为2.25N，平均受力为1.22N。前、中腿受力较小，最大受力为0.73N，平均受力为0.33N。图5蝗虫跳跃过程的典型图片图6反映了仿蝗虫机器人腿部各个关节附加动力矩的变化趋势、最大值和最小值。任何执行机构所能