仿蝗蟲式探測性跳躍機器人【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p>　　機械設計制造及其自動化</p><p>　　仿蝗蟲式探測性跳躍機器人</p><p><b>　　1. 引言</b></p><p>　　目前地面移動機器人的運動方式主要有輪式、履帶式，并且它們在軍事和星際探索上已經(jīng)得到了廣

2、泛的應用，但輪式和履帶式機器人卻有越障能力差和能耗大的缺點。除了這兩種傳統(tǒng)的運動方式,近四十年來，人們把目光對準了生物界,在35億年的進化過程中,生物體發(fā)展了靈巧的運動機構(gòu)和機敏的運動模式,這成為機器人發(fā)展取之不盡的知識源泉?？茖W家們向生物學習,創(chuàng)造出了眾多高性能的仿生機器人，盡管現(xiàn)在大都處于實驗室樣機狀態(tài)。目前仿生機器人的主要運動方式為爬行或步行,如蛇形機器人、機器貓、機器狗等。步行或爬行機器人自由度多,控制復雜,運動緩慢,而且遇到障

3、礙物同樣無能為力。跳躍機器人在地面上的活動能力與其他運動方式相比有很大的優(yōu)勢，特別是受生物跳躍運動的啟發(fā)，仿生跳躍機器人更是有著常規(guī)機器人所不具備的運動特性，其強大的越障能力，極快的跳躍速度、強大的地面適應能力、廣闊的移動范圍，為它在星際探索、反恐、軍事以及仿生學的發(fā)展提供了良好的發(fā)展前景。</p><p><b>　　2. 研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　⑴

4、當前主要在美國和日本存在一些機構(gòu)進行彈跳機構(gòu)的研究，但研究目的與方式有所不同。日本跳跳機器人主要研究的是機器玩具與機器寵物，美國則主要偏向于太空探索與軍事應用服務，關(guān)于彈跳的理論研究集中于連續(xù)彈跳運動動態(tài)穩(wěn)定性的非線性動 力學分析10。其基本模型為一活塞連桿機構(gòu)(圖1)，有一個X方向的平移自由度以及足部和身體之間的旋轉(zhuǎn)自由度，M．H．Raibert專門著書論述了這一模型1。</p><p>　　圖1 彈跳機構(gòu)理想

5、模型 </p><p>　　目前實際彈跳機構(gòu)構(gòu)造有兩類方法，一類方式是利用簡單機構(gòu)產(chǎn)生彈力，這種方法機構(gòu)自由度少，動力學模型簡單，實現(xiàn)相對容易。根據(jù)能量積累方式的不同可分為鐘擺型，彈射型，混合型等。另一類是從自然界生物的彈跳動作中獲得啟發(fā)，進行仿造，稱為仿生彈跳機構(gòu)。如機械蟋蟀與機械貓等14 。仿生法特點是多自由度、多關(guān)節(jié)協(xié)同動作完成彈跳及爬行動作。關(guān)節(jié)自由度多，動力學模型復雜，難

6、以實現(xiàn)穩(wěn)定的運動。因此仿生機構(gòu)目前只是處于理論分析與技術(shù)預研階段。</p><p>　　跳躍機器人必須對能量進行高效的吸收利用，比如落地碰撞產(chǎn)生的能量以及從高處下落過程中和越過溝壑時積蓄能量。另外，由于機器人在跳躍后可能陷入溝渠，或者兩個驅(qū)動輪離地，使其不能移動，這時需要機器人跳出困境，這就需要氣缸能夠回到垂直方向。因此還需要電機來驅(qū)動氣缸轉(zhuǎn)動使其能夠回到垂直方向，然后通過靜止跳躍跳出，達到拜托困境繼續(xù)前進的目的

7、。由于使用的是氣缸跳躍，機器人身上裝有兩個氣罐，里面是高壓空氣，由于使用的氣源是一次性的，因此為了機器人你跳躍次數(shù)更多，行程更遠，那么就要對不同的障礙物采用不同的跳躍高度，以節(jié)省氣源。因此有必要研究機器人的跳躍高度控制以及如何提高最大跳躍高度。機器人的跳躍是被限制在垂直方向，從高壓氣體注入氣缸到機器人跳躍最高點，分為3個過程，分別為活塞不動氣缸向上運動，氣缸和活塞發(fā)生能量傳遞，氣缸和活塞一起運動到最高點，不難想象，機器人的質(zhì)量分配和氣缸

8、的內(nèi)腔面積等對跳躍高度都有影響，因此需要找出最佳的缸體形狀。在保證總體小型輕量的前提下，通過實驗來研究最佳的結(jié)構(gòu)跟質(zhì)量分配以達到最大的跳躍高度。</p><p>　　另外隨著近期反恐、戰(zhàn)場偵察的需要，國外很多研究機構(gòu)又開始從事微小彈跳機構(gòu)的研究，并且陸續(xù)研制出一些原型實驗機。典型樣機有噴氣推進實驗室（JPL）的 Hopper（圖2）和日本宇宙科學研究所（ISAS）的MINERVA（圖3）。特點是結(jié)構(gòu)形式脫離了“附

9、著”的概念，執(zhí)行器最少，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。環(huán)境適應性強。越障性能好；但著陸姿態(tài)不好預測，對機械結(jié)構(gòu)耐用性要求高，需要特別的初始姿態(tài)恢復裝置等。</p><p>　　圖2 Hopper 圖3 MINERVA 圖4 雙彈簧式平衡機構(gòu)</p><p>　　雙彈簧式平衡機構(gòu)履帶式機器人Resquake采用雙彈簧式平衡

10、機構(gòu)（圖4）2-8。懸掛系統(tǒng)附帶一對線性彈簧通過滑動軸承分別鉸接于機體兩側(cè)。當無外力作用時，懸掛系統(tǒng)能夠保持固定姿態(tài)；否則，懸掛系統(tǒng)將能在彈簧的輔助下調(diào)節(jié)位姿適應地形。該平衡機構(gòu)增強了機器人在崎嶇地面上的適應性和穩(wěn)定性，減弱了由于碰撞引起的振動。</p><p>　　將蝗蟲放在一個頂部裝有日光燈的透明玻璃箱中，玻璃箱尺寸為2000ｍｍ×80ｍｍ×1500ｍｍ。采用高速攝像機（ FASTCAM

11、10K Model 500型）進行拍攝，實驗過程中拍攝頻率為 500幀/S 。圖5是黃脛小車蝗跳躍過程的幾個典型圖片。黃脛小車蝗跳躍特征如表16。</p><p>　　表1 黃脛小車蝗的結(jié)構(gòu)參數(shù)</p><p>　　仿蝗蟲機器人的后腿主要起支撐作用， 其受力明顯比其他腿大得多，并且在有加速度的條件下，附加力矩增大。后腿的最大受力為2.25N，平均受力為1.22N。前、中腿受力較小，最大受力

12、為0.73N，平均受力為0.33N。</p><p>　　圖5 蝗蟲跳躍過程的典型圖片</p><p>　　圖6反映了仿蝗蟲機器人腿部各個關(guān)節(jié)附加動力矩的變化趨勢、最大值和最小值。任何執(zhí)行機構(gòu)所能提供的動力矩都在一定范圍內(nèi)，而進行機構(gòu)設計時所預期得到的力矩必須在這個范圍內(nèi)才能保證跳躍的合理性和可行性。</p><p>　　移動性能是未來機器人在很多應用場合的關(guān)鍵能力

13、，為完成任務，常常要求機器人能夠滲透到人員無法進入的禁區(qū)進行偵查、探測、攻擊、干擾等行動，需要移動能力給予保證。</p><p>　　圖6 仿蝗蟲機器人各關(guān)節(jié)的作用力曲線</p><p><b>　　3.結(jié)論</b></p><p>　　與輪式、足式移動機器人比較，仿生跳躍機器人具有一些獨特的優(yōu)勢。但作為一種新型移動機器人，跳躍機器人研究仍處于

14、早期的研發(fā)階段，研究重點主要集中在驅(qū)動方式的驗證與機器人結(jié)構(gòu)的設計與改進，而跳躍機器人本身潛在的運動性能和優(yōu)勢沒有得到最大程度上的發(fā)揮，已經(jīng)投入使用的跳躍機器人也很少。因此如何提跳躍形機器人的運動性能，增加其運動方式以拓展實際應用領(lǐng)域，成為當前主要研究任務。 </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 Raibert M．H． Legg

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