仿蝗虫跳跃机器人结构设计及其运动学与动力学分析毕业设计—开题报告

仿蝗虫跳跃机器人结构设计及其运动学与动力学分析毕业设计—开题报告内容摘要：

的动作，不同的 是弹簧固定在机构中一起跳跃． 混合型弹跳其运动是连续的，只要关节臂与弹簧协调动作，可以连续弹跳．但机构从静止到跃过障碍物需要数次弹跳来积累能量，以达到预定弹跳高度，而且控制过程中必须用传感器能感知跳起高度、何时达到最高点、何时落地等控制关节臂所必须的变量．因而对机构实时控制要求较高． 浙江大学毕业设计（论文） 开题报告及文献综述 15 双摆跳跃机器人模型 混合型弹跳机构 4 跳跃机器人的动力及稳定性控制 在自然界高等生物各类运动中，肌腱的弹性储能和释放发挥了重要作用。 如青蛙在弹跳时瞬间输出力是后肢肌肉平均输出力的 7倍。 瞬间爆发力主要是由肌腱和肌肉间的弹 性提供的。 在机器人跳跃装置中使用弹性器件可以仅用小功率电机提供动力，压缩弹簧储能，一次性释放实现跳跃。 同时使用弹性材料制作机器人足还可以存储着陆触底阶段的能量。 提高运动效率，并提供接地缓冲功能。 在跳跃过程中，与地面瞬间接触力将为重力的数倍，使空中姿态和着陆稳定性控制难度增加。 准备安装翅翼，减小着陆时冲击力，同时可以利用翅翼进行滑翔，扩大行程。 并通过调整翅翼倾斜角度保持机器人的稳定。 这就需要在跳跃机器人中加入自动控制系统。 可使用单片机与加速度传感器，通过读取加速度传感器出处，获知机器人当前平衡状态。 以调整翅 翼和足的位置实现爬行及跳跃阶段的平衡。 5 应用前景 在地球陆地表面，有超过 50%以上的面积为崎岖不平的山丘或沼泽，仅靠轮式或履带式机械无法完全实现在这些自然环境下的自主移动。 大部分轮式机器人仅能跨越与轮直径相近的障碍。 造成轮式机器人小型化后会降低其越障通行能力。 同时跳跃机器人对地表的损害较轮履车辆产生的持续车辙小，更适于在环境敏感地域使用。 跳跃机器人在平坦地段可以采用爬行方式，该状态时稳定性较轮式机器人高，适于携带各类精密探测仪器。 浙江大学毕业设计（论文） 开题报告及文献综述 16 6 参考文献 [1]刘壮志，席文明，朱剑英，吴洪涛 弹跳式机器人研究 机器人 ROBOT， [2]陈大竞，朱丹华，刘伟庭，陈裕泉 微型仿生跳跃机器人的研究与发展 国际生物医学工程杂志， [3]岳映章，文杰，柏龙 仿袋鼠跳跃机器人的刚柔混合建模运动步态分析 机械科学与技术， [4]詹望 . 仿袋鼠跳跃机器人多刚体动力学研究 [D]：［硕士学位论文］．西北工业大学， 2020 [5]夏旭峰 基于弹簧 — 质量模型的仿袋鼠跳跃机器人步态稳定性研究 [D]：［硕士学位论文］西北工业大学， 2020 [6]杨绘宇，王石刚，梁庆华，邓奇 仿蝗虫跳跃机器人起跳过程运动学建 模及分析 机械设计， [7]李向阳，葛文杰，杨 方 考虑脚部柔性的仿袋鼠跳跃机器人运动特性研究 机器人 ROBOT， [8]王瑜，何广平 双臂单腿跳跃机器人的动力学建模与仿真 北方工业大学学报， [9]葛文杰，沈允文，杨方 仿袋鼠机器人跳跃运动步态的运动学 机械工程学报 [10]杨文纲，陆震 单足跳跃机器人动力学建模与仿真 机械与电子， [11]路甬祥．仿生学的意义与发展．科学中国人， 2020: 2224. [12]Mirko Kovaˇc ， Manuel Schlegel ， JeanChristophe Zufferey ， Dario Floreano Steerable miniature jumping robot Auton Robot (2020) 28: 295– 306 [13]Xin Fu, Fei Li, Weiting Liu, Cesare Stefanini, Paolo Dario Design of a Bionic Saltatorial Leg for Jumping Mini Robot H. Liu et al. (Eds.): ICIRA 2020, Part I, LNAI 6424, pp. 477– 487, 2020. [14]Umberto Scarfogliero, Cesare Stefanini, Paolo Dario The use of pliant joints and elastic energy storage in bioinspiredlegged robots Mechanism and Machine Theory 44 (2020) 580– 590 [15]Stoeter, S. A., Rybski, P. E., amp。 Papanikolopoulos, N. (2020). Autonomous stairhopping with scout robots. In IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems, Vol. 1,pp. 721– 726. 浙江大学毕业设计（论文） 开题报告及文献综述 17 二、 开题报告： 仿蝗虫跳跃机器人结构设计及其运动学与动力学分析 1 背景 在地球陆地表面，有超过 50%以上的面积为崎岖不平的山丘或沼泽，仅靠轮式或履带式机械无法完全实现在这些自然环境下的自主移动。 近年来，随着仿生机器人技术的发展，模仿动物的肢体或按动物跳跃运动机理设计的仿生弹跳机构日益受到人们的关注。 跳跃运动可以越过数倍于自身的障碍物，若与原有运动方式（如轮式机构）结合可以大大提高机器人的活动空间与自主性，且易于微型化，活动能力更强，在考古、反恐、战场侦察等领域有着广阔的应用前景。 在外星际探测中，月球与火星表 面的重力加速度大大低于地球（火星 38%，月球 17%），因此 ，跳跃机构在这种低重力的外星际探索中极具优势。 仿生学（ bionics）是上世纪 60 年代兴起的一门学科，以昆虫为对象的仿生学研究和应用一直是国内外的研究热点之一。 仿生跳跃机器人的研制在国际上尚处于起步阶段，国内也刚开始此类课题的研究。 尤其在仿生跳跃机器人的弹跳模型、跳跃机理、样机设计、运动控制、稳定性等关键技术方面，国际上也尚处于研究的初始阶段。 2 调研报告 跳跃理论优势 尺度效应 自然界各物种体积差别很大。 因此在研究对比动物运动中以 每秒移动单位身长数浙江大学毕业设计（论文） 开题报告及文献综述 18 作为衡量速度的标准更为科学。 以此为标准自然界中速度最快的是北美地区的更格卢鼠。 通过双脚跳跃移动速度能达到 80 身长／ s。 设跳跃机器人足长为 l ，机器人外形尺寸与足长成一定比例关系，记为 ： d∝ ， 可推得 ： mg∝ （ 1） 设机器人足的最大屈服应力为 maxF。 即为机器人足与接触面间的最大受力。 该力与接触面积即 2l 成正比，记为 ： maxF ∝ 2l ， 与 (1)式联立可得 ： mgFmax ∝。 由 (2)式可推得，当体积缩小时，体积相关的力 (如重力 )较面积相关的力 (如表面接触力 )减小更快，这造成了最大输出力与自身重力比即起跳时的最大加速度的不同。 从表 1的生物学统计数据可以亦看出这一趋势。 因此无论是自然界中的小体型动物还是人造小型机器人。 采用跳跃方式比大型 动物／机器人有更高的效率和优势。 弗劳德系数 在讨论跳跃的优劣中有必要引入弗劳德系数，定义如下 ： glvFr2 （ 3） 式中： g为重力加速度； V为水平向前速度； l为质心到支撑点长度（实际中可以理解为机器人或动物的足长）。 在跳跃物与地面接触阶段，弗劳德系数可理解为向心力和重力之比，理论上 Fr 超过 1 时，支撑足产生的向心力超过重力，所支撑的物体将腾空。 弗莱德系数亦可被理解为动能和势能之比，通过实际观测，当 Fr 超过 时，动物步态从爬行转为奔跑，当 Fr 逐步增大超过 1 后， 重力作用无法抵消动能，浙江大学毕业设计（论文） 开题报告及文献综述 19 每次跳跃长度和高度将增加，腾空时间进一步增加，步态从奔跑逐渐向跳跃转变。 假设物体 1 与 2 有以下关系 ： 212121FFttll （ 4） 式中： il 、 it 与 iF 分别为 2两物体的长度、受力时间和所受外力， im 、 iv 、ia 分别为两物体质量、速度和加速度，存在以下比例关系 im ∝ 3il ， ia ∝ 2iitl （ i=1,2） （ 5） (5)式结合牛顿第二定理可推导得 2222211211241FlvmFlvm  (6) 在跳跃运动中，重力为物体主要受力，因此（ 6）式可表示为 glvglv 222121  （ 7） 由此可见跳跳跃的产生不仅由速度决定。 与质心到支撑点长度也有关系。 可以通过缩短长度提高弗劳德系数，以达到跳跃状态。 随着外形尺寸的缩小，跳跃长度会增加，这与动物观测结果相同，体型更小的动物跳跃单位身长更长。 现有跳跃运力学模型及分析 单质量弹簧模型 西北工业大学的葛文杰、夏旭峰进行了基于弹簧 — 质量模型的仿袋鼠跳跃机器人步态稳定性研究。 在仿生运动分析方法上，采用代替动物腿的线性弹簧和代替动物躯浙江大学毕业设计（论文） 开题报告及文献综述 20 干质尾的质量块构成的简单模型，能够精确地预测动物运动步态的力学性能。 跳跃弹簧单质量模型 图中 m 为袋鼠的总质量： 0l 为弹簧的原始长度 (即动物 跳跃至脚趾 刚 触地时 刻其质心与脚 触地点之间的距离 )； 0a 为触地角 (即袋鼠脚趾触地时与水平地面问夹角的较小值 )； k 为弹簧刚度系数； l 为着地阶段袋鼠腿部伸缩 最大变化量。 北京航空航天大学 ,对单足跳跃机器人进行运动学分析 ,建立了机器人在着地阶段和腾空阶段的动力学模型。 单足跳跃模型 双质量弹簧模型 在单质 量弹簧基础上，再考虑到动物着地阶段双脚的作用及其质量，可建立以动物脚踝关节为坐标原点 o 的参考坐标系 ),( yx 与极坐标系 ),( r 和跳跃机器人着地阶浙江大学毕业设计（论文） 开题报告及文献综述 21 段的弹簧一双质量 模型。 着地阶段的弹簧双质量模型 弹簧双质量模型（垂直） 此模型只考虑了垂直弹跳，实际机构运动时要水平速度分量，需要能够在空中主动地调整姿态，以避免落地时 m1 与 m2 均与地面碰撞而造成前一次弹跳中所有能量都损失掉。 双质量模型弹跳机构主要采用被动方式。 有的将机构重心降低，并用护 罩保护，类似不倒翁。 但由于底部质量增加，系统弹跳效率因此降低，弹跳高度有限；有的机构采用落地碰撞并翻转后，通过矫正机构来恢复弹跳姿态。 这种方式使弹跳间隔时间较长，运动不太灵活。 刚体弹性单元模型 西北工业大学的葛文杰、詹望进行了仿袋鼠跳跃机器人多刚体动力学研究。 由于实际的机器人是很复杂的，很难用精确的数学模型来描述，必须对它进行合理地简化浙江大学毕业设计（论文） 开题报告及文献综述 22 后才能用数学模型来描述。 根据机器人的跳跃特性，为仿生机器人建模可进行如下简化。 1)假设各肢体都为刚性构件； 2)假设两条腿的物理参数是完全相同的； 3)假设每条 腿都只由三个关节组成，即髋关节、膝关节和踝关节。 所得到的刚体弹性单元模型如下： 多刚体模型 刚体弹性单元加柔性模型 西北工业大学的岳映章、葛文杰进行了仿袋鼠跳跃机器人的刚柔混合建模运动步态分析。 多刚体添加柔性模型 浙江大学毕业设计（论文） 开题报告及文献综述 23 添加柔性的刚体模型相比刚体模型具有以下几个特点 :(1) 提高机器人落地稳定性。 这一特性有助于机器人减缓踝关节所受躯干等其他构件下落的惯性力和引起的冲击力 ,同时也可减小躯干质心运动在这一阶段的上下波动而使其保持平稳落地 ,从而有利于减小脚与地面的反力和弹跳能的消耗。 而刚性脚 踝关节轨迹为一段圆弧 ,这不仅不能缓减地面反力的大小 ,相反 ,还因踝关节需要克服躯干等其他构件下落的惯性力且作上升运动而加大了地面的反力、冲击和能量的消耗。 (2) 增大机器人跃远度。 由于柔性脚具有储能特性 ,在机器人落地时柔性脚将落地的冲击转化为弹性势能并在起跳阶段将势能转化为动能释放。 从步态轨迹上看 ,柔性脚踝关节轨迹在起跳阶段迅速上升 ,提高了机器人的起跳速度 ,进而增大跳跃机器人的跃远度。 而刚性脚踝关节在起跳阶段的轨迹呈下降状态 ,不利于机器人的跳跃。 (3)增大起跳时间和调整起跳角度。 3 研究内容 蝗虫跳跃机理 跳跃机构的分析 ： 为了估计蝗虫腿部的力的仰角，首先计算在无大腿骨及胫节质量的情况下的地面反作用力。 然后计算蝗虫质心水平及垂直加速度并得出计算加速度仰角。 加速度仰角在起跳阶段能够很好的预测蝗虫的起跳角。 yx1tan仰角 （ 2） 用实际质量和重力重复计算。 地面对于胫节的反作用力为： yxGyM GxM （ 3） 对于蝗虫胫节及大腿的无质量简化意味着胫。