1、仿生跳躍機(jī)器人仿生跳躍機(jī)器人B Bionicionic H Hoppingopping R Robotobot2015年06月10日 課程名稱：仿生機(jī)器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(jī)器人仿生跳躍機(jī)器人31 1仿生跳躍機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀仿生跳躍機(jī)器人仿生跳躍機(jī)器人仿生跳躍機(jī)器人（B Bionicionic H Hoppingopping R Robotobot）仿生跳躍機(jī)器人是模仿生物的肢體結(jié)構(gòu)或按跳躍運(yùn)動(dòng)機(jī)理制作的機(jī)器人。如機(jī)器蟋蟀、機(jī)器跳蚤、機(jī)器袋鼠及

2、機(jī)器馬等。它們的特點(diǎn)是自由度多,運(yùn)動(dòng)靈活,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng),但其跳躍運(yùn)動(dòng)需要多關(guān)節(jié)協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)難度較大。51980年麻省理工大學(xué)腿實(shí)驗(yàn)室Raibert教授設(shè)計(jì)了世界上第一個(gè)以跳躍方式運(yùn)動(dòng)的單腿機(jī)器人。該機(jī)構(gòu)共有兩個(gè)自由度：一個(gè)是沿方向的移動(dòng)自由度x，另一個(gè)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(jī)構(gòu)腿部結(jié)構(gòu)。國外研究現(xiàn)狀單足跳躍機(jī)器人 Raibert單腿跳躍模型 二維跳躍機(jī)器人 三維跳躍機(jī)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(dòng)范圍有限的問題,美國國家航空宇航局（NASA）噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)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(jī)器人，第

3、二代和第三代跳躍機(jī)器人具有相同的儲(chǔ)能方式。國外研究現(xiàn)狀單足跳躍機(jī)器人 第一代跳躍機(jī)器人 第二代跳躍機(jī)器人 第三代跳躍機(jī)構(gòu) 菱形蓄能裝置原理圖72000年Matthew C Birch設(shè)計(jì)了具有跳躍能力的仿蟋蟀微型機(jī)器人。2008年瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)開發(fā)一個(gè)重7克，身高5厘米的蚱蜢機(jī)器人。國外研究現(xiàn)狀多足跳躍機(jī)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式翻轉(zhuǎn)跳躍運(yùn)動(dòng)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(jì)并制作了一種結(jié)構(gòu)簡單、新穎的跳躍機(jī)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(jī)器人機(jī)構(gòu)簡化為單腿模型進(jìn)行討論。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郁

4、萬春，根據(jù)蝗蟲運(yùn)動(dòng)機(jī)理利用模態(tài)分析及沖量定理，建立了仿蝗蟲跳躍機(jī)器人的桿件模型。國內(nèi)研究現(xiàn)狀102 2仿生跳躍機(jī)器人研究內(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(dòng)物的緩、跑跳動(dòng)物的緩沖特性沖特性3、能量的儲(chǔ)存、能量的儲(chǔ)存、釋放機(jī)構(gòu)釋放機(jī)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(gè)頻率下，大部分的能量能被傳送，還能被彈性地 儲(chǔ)存。動(dòng)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(shí)間成比例，總位移與步態(tài)持續(xù)

5、的時(shí)間的平方成正比。接觸時(shí)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。不同的騰空過程或不同著地速度的角度將導(dǎo)致不同的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)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(chǔ)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(dòng)物以越快的速度撞擊地面，在跟腱中儲(chǔ)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(dòng)物中奔跑是速度最高的步態(tài)并伴隨復(fù)雜的身體運(yùn)動(dòng)。在奔跑中有波動(dòng)、滾動(dòng)和偏離運(yùn)動(dòng)，腿的移動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的瞬間慣量有重要的影響。因此穩(wěn)定性是一個(gè)重要的問題。四足動(dòng)物跑的步伐的穩(wěn)定性與系統(tǒng)慣量有重要的關(guān)系。Raibe

6、rt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(shí)跳越才會(huì)穩(wěn)定不考慮能量，腿的擺動(dòng)對(duì)身體的運(yùn)動(dòng)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(dòng)運(yùn)動(dòng)是由同時(shí)擺動(dòng)雙腿引起的。為了減小這種類似的身體波動(dòng)，Reilbert 設(shè)計(jì)的單足機(jī)器人的身體的瞬間慣量是腿的14倍。在大多數(shù)雙足運(yùn)動(dòng)的情況下包括人類奔跑（相對(duì)而言腿的慣性大），腿的運(yùn)動(dòng)不會(huì)引起明顯的身體的波動(dòng)，因?yàn)閮蓚€(gè)腿不是同時(shí)移動(dòng)，與單個(gè)腿有關(guān)的角動(dòng)力的變化在本質(zhì)上剛好互相抵消。這種觀點(diǎn)也適合于大部分四足奔跑動(dòng)物。143、能量的儲(chǔ)存、釋放機(jī)構(gòu)、能量的儲(chǔ)存、釋放機(jī)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)能量的供給

7、是仿動(dòng)物奔跑機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，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(dòng)物的儲(chǔ)存和釋放能量的機(jī)構(gòu)，也稱為彈性儲(chǔ)能元件。當(dāng)紅袋鼠在水平地面上快速跳躍時(shí)，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(chǔ)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(dòng)的柔性結(jié)構(gòu)（腱和韌帶）儲(chǔ)存和釋放部分跨越能量。這里，主動(dòng)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(bǔ)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(yùn)動(dòng)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

8、速度和步態(tài)的變化范圍決定的結(jié)論。154、跑跳動(dòng)物的緩沖特性、跑跳動(dòng)物的緩沖特性許多動(dòng)物足底長有“肉墊”，而在肉墊的外部則包有堅(jiān)硬的皮甲。這樣，當(dāng)足部與地面沖擊接觸時(shí)，肉墊可起到有效的緩沖作用，而堅(jiān)硬的皮甲則既可保護(hù)肉墊組織不受損傷，同時(shí)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(dòng)能量，若安裝多層阻尼材料并設(shè)計(jì)合理，還可使振動(dòng)能量的耗散率有所增加。 模仿動(dòng)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(dòng)致使二擺臂之間緩沖裝置壓縮變形，進(jìn)一步把振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樽枘岵牧系膬?nèi)耗能進(jìn)行耗散。動(dòng)物關(guān)節(jié)中的軟骨是一種多孔的粘彈性

9、材料，其中充滿液體，在受力時(shí)液體可在軟骨中流動(dòng)，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輛的懸掛機(jī)構(gòu)中采用多孔阻尼材料阻尼液結(jié)構(gòu)，試圖在隨機(jī)振動(dòng)狀態(tài)中時(shí)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(jī)器人研究方法與關(guān)鍵技術(shù)1、跳躍機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式、跳躍機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式跳躍機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式直接影響跳躍機(jī)器人的性能以及結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)方式主要有：（1）彈力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，是指利用特定機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的彈力來實(shí)現(xiàn)跳躍。這是一種較易實(shí)現(xiàn)的跳躍式機(jī)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(jī)器人多采用這種構(gòu)建方法，如瑞士的蚱蜢跳躍機(jī)器人、美國的3D弓形彈跳

10、機(jī)構(gòu)和NASA 第二代星際探測(cè)跳躍機(jī)器人。（2）內(nèi)能和化學(xué)能驅(qū)動(dòng)，是指利用液壓、氣動(dòng)的內(nèi)能和燃燒爆炸的化學(xué)能而構(gòu)建的跳躍機(jī)構(gòu)，具有體積小、驅(qū)動(dòng)力大和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。這種構(gòu)建方法可以在提升跳躍能力的同時(shí)，減小跳躍機(jī)器人的體積，從而大大增加跳躍機(jī)器人的活動(dòng)范圍。182、跳躍機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型的建立和分析、跳躍機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型的建立和分析跳躍機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型直接關(guān)系到其控制、動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)力優(yōu)化等問題的研究。機(jī)器人的動(dòng)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(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型時(shí)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。19

11、3、跳躍機(jī)器人的控制策略、跳躍機(jī)器人的控制策略跳躍機(jī)器人的控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中獲取的自身位置信息和環(huán)境信息來控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，直到到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)?？梢园烟S機(jī)器人的控制分為三個(gè)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(jìn)而完成任務(wù)的規(guī)劃和路徑的規(guī)劃，并在跳躍運(yùn)動(dòng)過程中及時(shí)修正規(guī)劃以應(yīng)對(duì)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(dòng)作，進(jìn)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(jī)器人的騰空飛行階段，要控制機(jī)器人的平衡，提前做好落地的準(zhǔn)備。在著地階段，機(jī)器人要主動(dòng)調(diào)

12、整姿態(tài)，防止發(fā)生傾覆。204.、跳躍機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)、跳躍機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)跳躍機(jī)器人采用跳躍式運(yùn)動(dòng)方式前行，在跳躍機(jī)器人的研究過程中，有幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要突破：（1）能實(shí)現(xiàn)能量有效的儲(chǔ)存和釋放的機(jī)構(gòu)。在跳躍式機(jī)器人的研究中，如何用新的機(jī)械機(jī)構(gòu)或者新材料模仿類似于動(dòng)物腱、韌帶和肌肉的功能，實(shí)現(xiàn)能量的有效儲(chǔ)存與釋放和必要的 減震緩沖作用，是跳躍式機(jī)器人研究的難點(diǎn)之一。（2）高效的驅(qū)動(dòng)方式。目前已經(jīng)出現(xiàn)的機(jī)器人普遍采用的是彈性機(jī)構(gòu)或者液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，彈性機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)能量利用率不高，無法實(shí)現(xiàn)高精度的控制；液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(jī)器

13、人的活動(dòng)范圍。（3）智能控制方法。跳躍運(yùn)動(dòng)的動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和地形適應(yīng)能力不僅得益于動(dòng)物肢體的機(jī)構(gòu)構(gòu)造，而且和動(dòng)物的智能控制機(jī)理有很大關(guān)系。目前常采用的基于生物激勵(lì)的控制方法不同于經(jīng)典的基于機(jī)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(hào)來控制機(jī)器。214 4仿生跳躍機(jī)器人BionicKangaroo 具有高度復(fù)雜性的整體系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)器、控制和調(diào)節(jié)技術(shù)及移動(dòng)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(dòng)電氣驅(qū)動(dòng)精密運(yùn)動(dòng)精密運(yùn)動(dòng)站立時(shí)，仿生袋鼠雙腳和尾巴同時(shí)接觸地面，形成一個(gè)穩(wěn)定的三點(diǎn)支撐，同時(shí)尾巴在運(yùn)動(dòng)中起

14、平衡作用。尾巴上安裝了一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，控制尾巴的上下運(yùn)動(dòng)角度，控制平衡的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)在臀部和大腿之間有兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，控制袋鼠的向前向后運(yùn)動(dòng)，所有這些通過集成控制系統(tǒng)來同一控制。4BionicKangaroo 動(dòng)態(tài)跳躍每個(gè)小腿通過附在上面標(biāo)準(zhǔn)的DSNUP汽缸來啟動(dòng)。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(yùn)動(dòng)序列袋鼠跟腱的功能是通過一個(gè)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(shí)吸收動(dòng)能并在下一起跳動(dòng)作時(shí)釋放。通過傳感器和集成控制系統(tǒng)，來實(shí)時(shí)反饋和檢測(cè)袋鼠跳躍 和 著陸過程中的穩(wěn)定狀態(tài)。4BionicKan

15、garoo 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(shí)現(xiàn)姿勢(shì)控制。臂章檢測(cè)人手的肌肉運(yùn)動(dòng)，臂章里安裝了位置傳感器來記錄和檢測(cè)手臂的運(yùn)動(dòng)。臂章通過藍(lán)牙將檢測(cè)的信號(hào)傳送到仿生袋鼠機(jī)器人的集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(dá)事先定義好的角度，氣動(dòng)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(jìn)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(jī)器人的腿盡量往前伸，在臀部產(chǎn)生扭矩，這時(shí)尾巴將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，從而保持主體運(yùn)動(dòng)基本水平。著地階段：著陸時(shí),肌腱拉緊,將跳躍過程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能。從而將能量存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，用于第二次起跳時(shí)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(jī)器人是否能高效運(yùn)動(dòng)，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(jī)器人總結(jié)5Bi