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1、第46卷第9期機(jī)械工程學(xué)報(bào)Vol.46No.92010年5月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGMay2010DOI：10.3901/JME.2010.09.012*基于碰撞力的諧振致動(dòng)機(jī)理與試驗(yàn)孫立寧李偉達(dá)李滿天蔣振宇郭偉(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室哈爾濱150080)摘要：單側(cè)碰撞約束的雙擺是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)，有多種多樣的運(yùn)動(dòng)形式。對初始條件為接觸的單側(cè)碰撞約束雙擺在正弦激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激勵(lì)頻率與系統(tǒng)特性匹配時(shí)，只需很小的激勵(lì)雙擺的末端就會(huì)與約束分離
2、，從而進(jìn)入碰撞振動(dòng)狀態(tài)，且此時(shí)雙擺每次與約束碰撞產(chǎn)生的切向沖量的概率分布具有不變性，即碰撞力具有驅(qū)動(dòng)效果。根據(jù)這種特性提出一種基于碰撞力的諧振致動(dòng)機(jī)理?；谠撝聞?dòng)機(jī)理，模擬雙擺的力學(xué)特性，設(shè)計(jì)諧振式驅(qū)動(dòng)足，并研制移動(dòng)機(jī)構(gòu)樣機(jī)。通過試驗(yàn)證明諧振足與地面約束的碰撞力具有驅(qū)動(dòng)效果，在幅值為10V的正弦激勵(lì)下，樣機(jī)的移動(dòng)速度可達(dá)172mm/s?；谂鲎擦Φ闹C振致動(dòng)機(jī)理具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、運(yùn)動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，可以很好地適應(yīng)微小型移動(dòng)機(jī)器人的需求。關(guān)鍵詞：微小型機(jī)器人致動(dòng)機(jī)理諧振中圖分類號：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難以滿足微小型移動(dòng)機(jī)器人的作業(yè)要求。因此，尋*0前言求簡單、高效的新型致動(dòng)機(jī)理是微小型機(jī)器人研究要解決的關(guān)鍵問題。微小型移動(dòng)機(jī)器人以其體積小、機(jī)動(dòng)靈活、節(jié)在研究初期，一些樣機(jī)采用了以尺蠖式為代表[11-12]約能源等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)檢測、微機(jī)電系統(tǒng)組裝、微的準(zhǔn)靜態(tài)致動(dòng)機(jī)理，解決了機(jī)構(gòu)的小型化問題，外科手術(shù)、生物工程、光學(xué)工程等領(lǐng)域有著廣闊的并能夠?qū)崿F(xiàn)較高運(yùn)動(dòng)分辨力，但這類機(jī)器人的移動(dòng)[1-4]速度通常很低。隨后，大量微小型機(jī)器人采用了以應(yīng)用前景，并逐漸成為了機(jī)器人研究的熱點(diǎn)領(lǐng)
8、域。一些學(xué)者嘗試將傳統(tǒng)的輪、履式和腿足式機(jī)器粘滑式、慣性沖擊式為代表的慣性致動(dòng)機(jī)理，如美[5-10]國麻省理工大學(xué)研制的NanoWalker[13]、德國卡爾斯人小型化來研制微小型移動(dòng)機(jī)器人。但研究發(fā)[14]現(xiàn)傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不易小型化，考魯厄大學(xué)研制的Miniman系列機(jī)器人等。這類機(jī)慮到尺度效應(yīng)，其小型化后的運(yùn)動(dòng)性能也大打折扣，器人的結(jié)構(gòu)更加
