仿蝗蟲四桿式跳躍機器人設計【文獻綜述】

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1、畢業(yè)論文文獻綜述機械設計制造及其自動化仿蝗蟲四桿式跳躍機器人設計1．引言隨著電子計算機的發(fā)明，人類文明的發(fā)展進入了一個高速發(fā)展的時期。電子計算機的出現(xiàn)為各種科學研究提供了很大的幫助，而且為機器人這種自動化產(chǎn)物的發(fā)展提供了方便。自從第一臺機器人的出現(xiàn)，機器人的發(fā)展十分的迅速，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了多個發(fā)展階段。所以機器人的發(fā)展階段可以分為第零代的原始機器人，第一代的示教（工業(yè)）機器人、第二代感知（遙控）機器人、第三代智能機器人和第四代仿生機器人。從機器人的角度來看，仿生機器人將是機器人發(fā)展的最高階段。2．機器人的發(fā)展狀況及其研究成果

2、隨著人類社會的發(fā)展，許多的工作區(qū)域的環(huán)境已經(jīng)并不適合人類進入，或者說是人類不能進入進行作業(yè)。在軍事上的一些無人作戰(zhàn)武器的需要，在人類探索太空中的失重和無氧狀態(tài)下，建設航天站、搶險救災等不適合人類的任務，這就需要適合的機器人來進行替代。然而，隨著機器人的快速發(fā)展，機器人的靈活性也越來越好，創(chuàng)造出來的機器人也具有高精密、高速、高效率，機器人也越來越能代替人類在惡劣環(huán)境、復雜地形和危險地帶等情況下進行工作，減少人類從事危險性工作。目前機器人主要有兩種運動方式，一種是靠輪子或履帶驅動；另外一種是仿生的爬行或步行方式。但是無論是輪子或履帶

3、驅動的機器人還是爬行或步行機器人都無法在遇到與自身大小相當?shù)恼系K物的情況下越過障礙物。跳躍機器人與輪式或步行機器人相比，具有運動范圍大、越障能力強和躲避危險快等特點。在自然界中蝗蟲、蟋蟀、袋鼠等生物都擁有超強的彈跳的能力，能夠輕易的越過超過自身尺寸數(shù)倍的障礙物。目前對仿生跳躍機器人的研究主要是針對連續(xù)跳躍的。雖然連續(xù)跳躍的頻率快，但它不能根據(jù)情況及時改變姿態(tài)，實現(xiàn)準確的跳躍?；认x的跳躍是采用間歇跳躍的方式，并且跳躍能力極強?；认x在跳躍過程中展現(xiàn)出來的驅動能量效率是十分巨大的，要對蝗蟲進行研究，并將研究成果用于仿蝗蟲機器人的研制，

4、這對于促進仿生跳躍機器人的技術的成熟和發(fā)展有著重要的意義。美國卡內(nèi)基梅隆大學的模仿袋鼠的弓腿跳躍機器人，重2.5g，腿長25cm，重0.75g，采用1000NM/kg的單向玻璃纖維合成物作弓腿，被動跳躍時能量損失只有20%~30%，最高奔跑速度是高于1m/s的4。3在國內(nèi)上海交通大學楊煜普、耿濤、郭毓等人提出了一種新型翻轉跳躍運動的單腿機器人機構。這是一種全新的運動方式——周期性的翻轉跳躍運動。這種新的運動方式有兩個明顯的優(yōu)點，一個是在起跳階段它的動力學模型可以簡化成一個2個關節(jié)的操作臂（如圖1），從而有效的利用應用于高速機器人

5、操作臂的控制方法。再一個是這種單腿機器人在跳躍階段不需要任何主動控制或驅動，這種策略有利于降低能耗。一個完整的翻轉跳躍周期由兩個行走階段和兩個飛行階段組成。但是，這里只是對機器人的軌跡規(guī)劃進行額研究，對于機器人的穩(wěn)定性卻沒有進行講述，穩(wěn)定性應該比單純的軌跡規(guī)劃（如圖2）具有更加重要的現(xiàn)實意義，這是不能回避的一個問題5。圖1單腿機器人結構圖圖2一個完整的翻轉跳躍運動周期前面幾種機器人的研究中，研究者都沒有考慮生物體腳部柔性的特點，和地面的接觸也只是點接觸?；趯Υ蠼Y構及跳躍運動特點的研究，西北工業(yè)大學機電學院的李向陽、葛文杰、楊

6、方等人設計了具有柔性腳的仿袋鼠跳躍機器人單腿機構模型，建立相應的方程并進行仿真實驗。得出模型跳躍的起跳時間約占著地時間的2/3，當柔性腳與地面接觸長度最大時，地面作用力也達到最大；裸關節(jié)的輸入力矩要大于髖關節(jié)的輸入力矩。這里形成的仿生機器人的研究方法對其他仿生機器人也有一定的指導意義和參考價值6。圖3仿袋鼠機器人單腿跳躍剛性模型圖4仿袋鼠機器人單腿跳躍柔性模型3袋鼠具有一雙有一定儲能作用的柔性大腳，它對減緩落地時的沖擊和震動，提高跳躍的穩(wěn)定性，推遲解除與地面的約束，增大越遠度都有很重要的作用。袋鼠是以雙腳跳躍的模式來進行高速跳躍

7、的，隨意可以將其簡化成為單腿跳躍的模型來加以研究。袋鼠的頭和尾巴在跳躍過程是起到平衡和運動穩(wěn)定的作用的，可以將他們的質量計算到去干的質量中，并將之簡化成一個剛體。依據(jù)仿袋鼠生物體的運動機構和跳躍運動特點，利用扭轉彈簧模擬其相關柔性和肌肉的儲能作用，西北工業(yè)大學的葛文杰、沈允文、楊方等人提出仿袋鼠柔性機器人的偽剛體機構模型7。圖5袋鼠運動結構西北工業(yè)大學的葛文杰、沈允文、楊方等人依據(jù)仿袋鼠生物體的運動機構和跳躍運動特點，利用扭轉彈簧模擬其相關柔性和肌肉的儲能作用，提出仿袋鼠柔性機器人的偽剛體機構模型。建立著地和騰空兩個階段的運動學

8、方程，給出在跳躍過程中的運動姿勢和去干質心的運動軌跡的表達式，然后結合實例進行一系列仿真分析運算。研究結果與錄像觀察和生物學實測研究結果相吻合8。圖6仿袋鼠跳躍機器人機構模型簡圖3.結論3近年來，我國工業(yè)生產(chǎn)、儲運過程中涉及的各種危險物品正在迅速增加，由于設備及