仿生跳躍機器人

1、會計學(xué)1仿生跳躍機器人仿生跳躍機器人2目錄Contents1、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2、研究內(nèi)容、研究內(nèi)容3、研究方法與關(guān)鍵技術(shù)、研究方法與關(guān)鍵技術(shù)4、BionicKangaroo5、總結(jié)、總結(jié)仿生跳躍機器人仿生跳躍機器人31 1仿生跳躍機器人發(fā)展現(xiàn)狀仿生跳躍機器人仿生跳躍機器人仿生跳躍機器人（B Bionicionic H Hoppingopping R Robotobot）仿生跳躍機器人是模仿生物的肢體結(jié)構(gòu)或按跳躍運動機理制作的機器人。如機器蟋蟀、機器跳蚤、機器袋鼠及機器馬等。它們的特點是自由度多,運動靈活,對環(huán)境的適應(yīng)能力強,但其跳躍運動需要多關(guān)節(jié)協(xié)同工作,實現(xiàn)穩(wěn)定運動難度較大。

2、51980年麻省理工大學(xué)腿實驗室Raibert教授設(shè)計了世界上第一個以跳躍方式運動的單腿機器人。該機構(gòu)共有兩個自由度：一個是沿方向的移動自由度x，另一個是腿部和軀體之間的旋轉(zhuǎn)自由度。隨后Raibert又研制了二維和三維跳躍機構(gòu)腿部結(jié)構(gòu)。國外研究現(xiàn)狀單足跳躍機器人 Raibert單腿跳躍模型 二維跳躍機器人 三維跳躍機構(gòu)6為解決星際探索中漫游車在崎嶇的地形地貌下活動范圍有限的問題,美國國家航空宇航局（NASA）噴氣動力實驗室（JPL）與加利福尼亞技術(shù)學(xué)院聯(lián)合研制了三代跳躍機器人，第二代和第三代跳躍機器人具有相同的儲能方式。國外研究現(xiàn)狀單足跳躍機器人 第一代跳躍機器人 第二代跳躍機器人 第三代跳躍

3、機構(gòu) 菱形蓄能裝置原理圖72000年Matthew C Birch設(shè)計了具有跳躍能力的仿蟋蟀微型機器人。2008年瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)開發(fā)一個重7克，身高5厘米的蚱蜢機器人。國外研究現(xiàn)狀多足跳躍機器人82003年上海交通大學(xué)的楊煜普提出了一種新的單腿機器人運動模式翻轉(zhuǎn)跳躍運動模式。2008年廈門大學(xué)的楊小傳基于仿生學(xué)原理，通過模仿青蛙的跳躍,設(shè)計并制作了一種結(jié)構(gòu)簡單、新穎的跳躍機構(gòu)國內(nèi)研究現(xiàn)狀9西北工業(yè)大學(xué)的葛文杰等人，將仿袋鼠機器人機構(gòu)簡化為單腿模型進行討論。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郁萬春，根據(jù)蝗蟲運動機理利用模態(tài)分析及沖量定理，建立了仿蝗蟲跳躍機器人的桿件模型。國內(nèi)研究現(xiàn)狀102 2仿生跳躍機器人

4、研究內(nèi)容研究內(nèi)容1、速度和步頻的、速度和步頻的選擇選擇2、穩(wěn)定性的研究、穩(wěn)定性的研究4、跑跳動物的緩、跑跳動物的緩沖特性沖特性3、能量的儲存、能量的儲存、釋放機構(gòu)釋放機構(gòu)121、速度和步頻的選擇、速度和步頻的選擇1989年Blickhan 指出：在生理學(xué)可能的跳躍頻率范圍內(nèi)，跳躍的人選擇一種頻率，在這個頻率下，大部分的能量能被傳送，還能被彈性地 儲存。動物在跑和跳的過程中，采用平角的著地速度，從而產(chǎn)生最長的接觸長度16。在這種情況下，地面反作用力與接觸時間成比例，總位移與步態(tài)持續(xù)的時間的平方成正比。接觸時間和跳躍頻率不是簡單的由彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率決定的，但卻受到著地速度矢量的嚴(yán)重影響。不同

5、的騰空過程或不同著地速度的角度將導(dǎo)致不同的動力學(xué)和運動學(xué)模式。大部分科學(xué)家認(rèn)為袋鼠的跟腱像彈簧一樣伸出和彈回。在任何彈簧中，能被儲存的能量與受到的力成正比。力是質(zhì)量和速度的產(chǎn)物。因此動物以越快的速度撞擊地面，在跟腱中儲存的彈性能就越多。132、穩(wěn)定性的研究、穩(wěn)定性的研究在仿生四足動物中奔跑是速度最高的步態(tài)并伴隨復(fù)雜的身體運動。在奔跑中有波動、滾動和偏離運動，腿的移動對系統(tǒng)的瞬間慣量有重要的影響。因此穩(wěn)定性是一個重要的問題。四足動物跑的步伐的穩(wěn)定性與系統(tǒng)慣量有重要的關(guān)系。Raibert和Murphy17 等在平面仿真中提出：只有在無量綱的軀體慣量小于整體的慣量時跳越才會穩(wěn)定不考慮能量，腿的擺動對

6、身體的運動有很重要的影響。Alexander和Vernon20 預(yù)見在快速跳躍中袋鼠身體的波動運動是由同時擺動雙腿引起的。為了減小這種類似的身體波動，Reilbert 設(shè)計的單足機器人的身體的瞬間慣量是腿的14倍。在大多數(shù)雙足運動的情況下包括人類奔跑（相對而言腿的慣性大），腿的運動不會引起明顯的身體的波動，因為兩個腿不是同時移動，與單個腿有關(guān)的角動力的變化在本質(zhì)上剛好互相抵消。這種觀點也適合于大部分四足奔跑動物。143、能量的儲存、釋放機構(gòu)、能量的儲存、釋放機構(gòu)如何實現(xiàn)能量的供給是仿動物奔跑機器人設(shè)計的重點，目前，在仿生領(lǐng)域中這仍處于探索和理論提出的階段。腱、肌和韌帶被許多科學(xué)家認(rèn)為是奔跑動物

7、的儲存和釋放能量的機構(gòu)，也稱為彈性儲能元件。當(dāng)紅袋鼠在水平地面上快速跳躍時，氧氣的消耗比例幾乎保持不變。這已經(jīng)被認(rèn)為是腿的長而柔性的腱儲存和釋放驚人的彈性能量的結(jié)果?；蛘呤羌t袋鼠有著特別高效率的肌肉。2003年Geyer21指出：在跳躍步態(tài)中，被動的柔性結(jié)構(gòu)（腱和韌帶）儲存和釋放部分跨越能量。這里，主動的肌肉必須提供所需要的力來克服變化的腱的應(yīng)力和補償不可避免的能量損失。1998年Biewener 通過記錄地面反作用力和腿的運動學(xué)性能，得出作用在肌腱單元和馬的前后腿韌帶上的應(yīng)力由速度和步態(tài)的變化范圍決定的結(jié)論。154、跑跳動物的緩沖特性、跑跳動物的緩沖特性許多動物足底長有“肉墊”，而在肉墊的外

8、部則包有堅硬的皮甲。這樣，當(dāng)足部與地面沖擊接觸時，肉墊可起到有效的緩沖作用，而堅硬的皮甲則既可保護肉墊組織不受損傷，同時還可增大肉墊的緩沖性能。經(jīng)過這種生物結(jié)構(gòu)的研究， 發(fā)現(xiàn)在承重輪中夾裝阻尼材料層，可耗散掉約10%-20%的振動能量，若安裝多層阻尼材料并設(shè)計合理，還可使振動能量的耗散率有所增加。 模仿動物肢體的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，在承重輪組的二擺臂之間安裝緩沖裝置。當(dāng)承重輪擺動致使二擺臂之間緩沖裝置壓縮變形，進一步把振動能轉(zhuǎn)變?yōu)樽枘岵牧系膬?nèi)耗能進行耗散。動物關(guān)節(jié)中的軟骨是一種多孔的粘彈性材料，其中充滿液體，在受力時液體可在軟骨中流動，調(diào)節(jié)軟骨的力學(xué)性質(zhì)，使關(guān)節(jié)經(jīng)常保持良好的緩沖性能。目前人們也研究在車

9、輛的懸掛機構(gòu)中采用多孔阻尼材料阻尼液結(jié)構(gòu)，試圖在隨機振動狀態(tài)中時使緩沖結(jié)構(gòu)具有最佳的狀態(tài)參數(shù)。163 3仿生跳躍機器人研究方法與關(guān)鍵技術(shù)1、跳躍機器人的驅(qū)動方式、跳躍機器人的驅(qū)動方式跳躍機器人的驅(qū)動方式直接影響跳躍機器人的性能以及結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)實現(xiàn)的驅(qū)動方式主要有：（1）彈力機構(gòu)驅(qū)動，是指利用特定機械機構(gòu)產(chǎn)生的彈力來實現(xiàn)跳躍。這是一種較易實現(xiàn)的跳躍式機器人構(gòu)建方法，可以采用的彈性構(gòu)件包括彈簧、彈性桿等。簡單的跳躍機器人多采用這種構(gòu)建方法，如瑞士的蚱蜢跳躍機器人、美國的3D弓形彈跳機構(gòu)和NASA 第二代星際探測跳躍機器人。（2）內(nèi)能和化學(xué)能驅(qū)動，是指利用液壓、氣動的內(nèi)能和燃燒爆炸的化學(xué)能而構(gòu)建的

10、跳躍機構(gòu)，具有體積小、驅(qū)動力大和能量密度高等優(yōu)點。這種構(gòu)建方法可以在提升跳躍能力的同時，減小跳躍機器人的體積，從而大大增加跳躍機器人的活動范圍。182、跳躍機器人的動力學(xué)模型的建立和分析、跳躍機器人的動力學(xué)模型的建立和分析跳躍機器人的動力學(xué)模型直接關(guān)系到其控制、動態(tài)特性和動力優(yōu)化等問題的研究。機器人的動力學(xué)模型主要有經(jīng)典的倒立擺SLIP模型和仿生的關(guān)節(jié)型模型。在分析機器人的動力學(xué)模型時比較常用的數(shù)學(xué)研究方法有：牛頓-歐拉方程法、拉格朗日方程法、高斯最小拘束原理法、凱恩方程法。193、跳躍機器人的控制策略、跳躍機器人的控制策略跳躍機器人的控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人在運動中獲取的自身位置信息和環(huán)境

11、信息來控制機器人運動，直到到達目標(biāo)點?？梢园烟S機器人的控制分為三個層次：（1）任務(wù)控制，主要完成環(huán)境信息的感知，自身位置信息的獲取，進而完成任務(wù)的規(guī)劃和路徑的規(guī)劃，并在跳躍運動過程中及時修正規(guī)劃以應(yīng)對環(huán)境地形的變化。（2）跳躍控制，主要利用已經(jīng)得到的路徑信息完成起跳參數(shù)角度能量的設(shè)置，完成姿態(tài)的調(diào)整、能量的蓄能、能量的釋放等動作，進而完成一次有特定角度和特定高度的跳躍。（3）穩(wěn)定控制，在跳躍機器人的騰空飛行階段，要控制機器人的平衡，提前做好落地的準(zhǔn)備。在著地階段，機器人要主動調(diào)整姿態(tài)，防止發(fā)生傾覆。204.、跳躍機器人研究的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢、跳躍機器人研究的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢跳躍機器人采用

12、跳躍式運動方式前行，在跳躍機器人的研究過程中，有幾項關(guān)鍵技術(shù)需要突破：（1）能實現(xiàn)能量有效的儲存和釋放的機構(gòu)。在跳躍式機器人的研究中，如何用新的機械機構(gòu)或者新材料模仿類似于動物腱、韌帶和肌肉的功能，實現(xiàn)能量的有效儲存與釋放和必要的 減震緩沖作用，是跳躍式機器人研究的難點之一。（2）高效的驅(qū)動方式。目前已經(jīng)出現(xiàn)的機器人普遍采用的是彈性機構(gòu)或者液壓、氣動驅(qū)動，彈性機構(gòu)驅(qū)動能量利用率不高，無法實現(xiàn)高精度的控制；液壓和氣動驅(qū)動響應(yīng)快、功率密度高，但是需要外部設(shè)備的支持，因此限制了跳躍機器人的活動范圍。（3）智能控制方法。跳躍運動的動物的運動平穩(wěn)性和地形適應(yīng)能力不僅得益于動物肢體的機構(gòu)構(gòu)造，而且和動物的

13、智能控制機理有很大關(guān)系。目前常采用的基于生物激勵的控制方法不同于經(jīng)典的基于機器人模型的控制方法，它由中樞模式發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的具有相位互鎖關(guān)系的周期信號來控制機器。214 4仿生跳躍機器人BionicKangaroo 具有高度復(fù)雜性的整體系統(tǒng)：驅(qū)動器、控制和調(diào)節(jié)技術(shù)及移動供電系統(tǒng)的巧妙結(jié)合BionicKangaroo壓力傳送器標(biāo)準(zhǔn)汽缸234BionicKangaroo 電氣驅(qū)動電氣驅(qū)動精密運動精密運動站立時，仿生袋鼠雙腳和尾巴同時接觸地面，形成一個穩(wěn)定的三點支撐，同時尾巴在運動中起平衡作用。尾巴上安裝了一個伺服電動機，控制尾巴的上下運動角度，控制平衡的補償運動在臀部和大腿之間有兩個伺服電動機，控

14、制袋鼠的向前向后運動，所有這些通過集成控制系統(tǒng)來同一控制。4BionicKangaroo 動態(tài)跳躍每個小腿通過附在上面標(biāo)準(zhǔn)的DSNUP汽缸來啟動。膝蓋和腳踝關(guān)節(jié)通過所謂的positive kinematic device來形成相互關(guān)聯(lián)的運動序列袋鼠跟腱的功能是通過一個彈性彈簧元件用橡膠制成的。它是固定在腳后面，平行于氣缸膝關(guān)節(jié)。人工腱可以緩沖跳躍，同時吸收動能并在下一起跳動作時釋放。通過傳感器和集成控制系統(tǒng)，來實時反饋和檢測袋鼠跳躍 和 著陸過程中的穩(wěn)定狀態(tài)。4BionicKangaroo 姿態(tài)控制姿態(tài)控制BionicKangaroo 可以通過帶在人手上的臂章來實現(xiàn)姿勢控制。臂章檢測人手的肌肉

15、運動，臂章里安裝了位置傳感器來記錄和檢測手臂的運動。臂章通過藍(lán)牙將檢測的信號傳送到仿生袋鼠機器人的集成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)人機交互。起跳階段：在第一跳起跳之前，彈性足跟腱先產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，BionicKangaroo轉(zhuǎn)變它的重心向前開始傾斜，一旦以一定的角速度到達事先定義好的角度，氣動缸被激活，通過腱的能量釋放，袋鼠開始起跳。27飛行階段：在飛行過程中控制系統(tǒng)不斷處理傳感器返回的數(shù)據(jù)來進行調(diào)整姿態(tài)，為了跳的盡可能遠(yuǎn)，在飛行過程中仿生袋鼠機器人的腿盡量往前伸，在臀部產(chǎn)生扭矩，這時尾巴將會產(chǎn)生相應(yīng)的運動補償，從而保持主體運動基本水平。著地階段：著陸時,肌腱拉緊,將跳躍過程中的動能轉(zhuǎn)換為勢能。從而將能量存儲在

16、系統(tǒng)中，用于第二次起跳時使用，著陸過程是系統(tǒng)能量恢復(fù)的關(guān)鍵過程決定著仿生袋鼠機器人是否能高效運動，著地后尾巴也回到起始位置為下次起跳做準(zhǔn)備。285 5仿生跳躍機器人總結(jié)5BionicKangaroo 總結(jié)在非結(jié)構(gòu)化或準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下運動時, 地面移動機器人躲避或跨越障礙物的能力決定了其活動范圍。輪履及爬行步行式機器人遇到大于其自身尺寸的障礙物時, 一般只能避讓, 在很多場合的應(yīng)用受到限制。而彈跳機器人可以躍過數(shù)倍于自身尺寸的障礙物或溝渠, 這點優(yōu)于其它類型的機器人, 因此對地形有更好的適應(yīng)力。但是相對于其它類型的機器人, 彈跳機器人的研究還處于初始階段, 有許多問題還有待于解決。對于仿生領(lǐng)域的深

17、入研究能夠?qū)χT如汽車或計算機 等工業(yè)自動化系統(tǒng)的研發(fā)提供幫助。仿生跳躍機器人仿生跳躍機器人仿生跳躍機器人（B Bionicionic H Hoppingopping R Robotobot）仿生跳躍機器人是模仿生物的肢體結(jié)構(gòu)或按跳躍運動機理制作的機器人。如機器蟋蟀、機器跳蚤、機器袋鼠及機器馬等。它們的特點是自由度多,運動靈活,對環(huán)境的適應(yīng)能力強,但其跳躍運動需要多關(guān)節(jié)協(xié)同工作,實現(xiàn)穩(wěn)定運動難度較大。312、穩(wěn)定性的研究、穩(wěn)定性的研究在仿生四足動物中奔跑是速度最高的步態(tài)并伴隨復(fù)雜的身體運動。在奔跑中有波動、滾動和偏離運動，腿的移動對系統(tǒng)的瞬間慣量有重要的影響。因此穩(wěn)定性是一個重要的問題。四足動物

18、跑的步伐的穩(wěn)定性與系統(tǒng)慣量有重要的關(guān)系。Raibert和Murphy17 等在平面仿真中提出：只有在無量綱的軀體慣量小于整體的慣量時跳越才會穩(wěn)定不考慮能量，腿的擺動對身體的運動有很重要的影響。Alexander和Vernon20 預(yù)見在快速跳躍中袋鼠身體的波動運動是由同時擺動雙腿引起的。為了減小這種類似的身體波動，Reilbert 設(shè)計的單足機器人的身體的瞬間慣量是腿的14倍。在大多數(shù)雙足運動的情況下包括人類奔跑（相對而言腿的慣性大），腿的運動不會引起明顯的身體的波動，因為兩個腿不是同時移動，與單個腿有關(guān)的角動力的變化在本質(zhì)上剛好互相抵消。這種觀點也適合于大部分四足奔跑動物。324、跑跳動物的緩沖特性、跑跳動物的緩沖特性許多動物足底長有“肉墊”，而在肉墊的外部則包有堅硬的皮甲。這樣，當(dāng)足部與地面沖擊接觸時，肉墊可起到有效的緩沖作用，而堅硬的皮甲則既可保護肉墊組織不受損