仿蝗虫四杆式跳跃机器人设计【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四杆式跳跃机器人设计1．引言随着电子计算机的发明，人类文明的发展进入了一个高速发展的时期。电子计算机的出现为各种科学研究提供了很大的帮助，而且为机器人这种自动化产物的发展提供了方便。自从第一台机器人的出现，机器人的发展十分的迅速，发展到现在已经经历了多个发展阶段。所以机器人的发展阶段可以分为第零代的原始机器人，第一代的示教（工业）机器人、第二代感知（遥控）机器人、第三代智能机器人和第四代仿生机器人。从机器人的角度来看，仿生机器人将是机器人发展的最高阶段。2．机器人的发展状况及其研究成果

2、随着人类社会的发展，许多的工作区域的环境已经并不适合人类进入，或者说是人类不能进入进行作业。在军事上的一些无人作战武器的需要，在人类探索太空中的失重和无氧状态下，建设航天站、抢险救灾等不适合人类的任务，这就需要适合的机器人来进行替代。然而，随着机器人的快速发展，机器人的灵活性也越来越好，创造出来的机器人也具有高精密、高速、高效率，机器人也越来越能代替人类在恶劣环境、复杂地形和危险地带等情况下进行工作，减少人类从事危险性工作。目前机器人主要有两种运动方式，一种是靠轮子或履带驱动；另外一种是仿生的爬行或步行方式。但是无论是轮子或履带

3、驱动的机器人还是爬行或步行机器人都无法在遇到与自身大小相当的障碍物的情况下越过障碍物。跳跃机器人与轮式或步行机器人相比，具有运动范围大、越障能力强和躲避危险快等特点。在自然界中蝗虫、蟋蟀、袋鼠等生物都拥有超强的弹跳的能力，能够轻易的越过超过自身尺寸数倍的障碍物。目前对仿生跳跃机器人的研究主要是针对连续跳跃的。虽然连续跳跃的频率快，但它不能根据情况及时改变姿态，实现准确的跳跃。蝗虫的跳跃是采用间歇跳跃的方式，并且跳跃能力极强。蝗虫在跳跃过程中展现出来的驱动能量效率是十分巨大的，要对蝗虫进行研究，并将研究成果用于仿蝗虫机器人的研制，

4、这对于促进仿生跳跃机器人的技术的成熟和发展有着重要的意义。美国卡内基梅隆大学的模仿袋鼠的弓腿跳跃机器人，重2.5g，腿长25cm，重0.75g，采用1000NM/kg的单向玻璃纤维合成物作弓腿，被动跳跃时能量损失只有20%~30%，最高奔跑速度是高于1m/s的4。3在国内上海交通大学杨煜普、耿涛、郭毓等人提出了一种新型翻转跳跃运动的单腿机器人机构。这是一种全新的运动方式——周期性的翻转跳跃运动。这种新的运动方式有两个明显的优点，一个是在起跳阶段它的动力学模型可以简化成一个2个关节的操作臂（如图1），从而有效的利用应用于高速机器人

5、操作臂的控制方法。再一个是这种单腿机器人在跳跃阶段不需要任何主动控制或驱动，这种策略有利于降低能耗。一个完整的翻转跳跃周期由两个行走阶段和两个飞行阶段组成。但是，这里只是对机器人的轨迹规划进行额研究，对于机器人的稳定性却没有进行讲述，稳定性应该比单纯的轨迹规划（如图2）具有更加重要的现实意义，这是不能回避的一个问题5。图1单腿机器人结构图图2一个完整的翻转跳跃运动周期前面几种机器人的研究中，研究者都没有考虑生物体脚部柔性的特点，和地面的接触也只是点接触。基于对袋鼠结构及跳跃运动特点的研究，西北工业大学机电学院的李向阳、葛文杰、杨

6、方等人设计了具有柔性脚的仿袋鼠跳跃机器人单腿机构模型，建立相应的方程并进行仿真实验。得出模型跳跃的起跳时间约占着地时间的2/3，当柔性脚与地面接触长度最大时，地面作用力也达到最大；裸关节的输入力矩要大于髋关节的输入力矩。这里形成的仿生机器人的研究方法对其他仿生机器人也有一定的指导意义和参考价值6。图3仿袋鼠机器人单腿跳跃刚性模型图4仿袋鼠机器人单腿跳跃柔性模型3袋鼠具有一双有一定储能作用的柔性大脚，它对减缓落地时的冲击和震动，提高跳跃的稳定性，推迟解除与地面的约束，增大越远度都有很重要的作用。袋鼠是以双脚跳跃的模式来进行高速跳跃

7、的，随意可以将其简化成为单腿跳跃的模型来加以研究。袋鼠的头和尾巴在跳跃过程是起到平衡和运动稳定的作用的，可以将他们的质量计算到去干的质量中，并将之简化成一个刚体。依据仿袋鼠生物体的运动机构和跳跃运动特点，利用扭转弹簧模拟其相关柔性和肌肉的储能作用，西北工业大学的葛文杰、沈允文、杨方等人提出仿袋鼠柔性机器人的伪刚体机构模型7。图5袋鼠运动结构西北工业大学的葛文杰、沈允文、杨方等人依据仿袋鼠生物体的运动机构和跳跃运动特点，利用扭转弹簧模拟其相关柔性和肌肉的储能作用，提出仿袋鼠柔性机器人的伪刚体机构模型。建立着地和腾空两个阶段的运动学

8、方程，给出在跳跃过程中的运动姿势和去干质心的运动轨迹的表达式，然后结合实例进行一系列仿真分析运算。研究结果与录像观察和生物学实测研究结果相吻合8。图6仿袋鼠跳跃机器人机构模型简图3.结论3近年来，我国工业生产、储运过程中涉及的各种危险物品正在迅速增加，由于设备及