1、基于solidworks跳跃机器人腿部机构模型建立及运动仿真摘要:基于对青蛙生物特征和跳跃运动机理的分析，对复杂的关节、骨骼结构进行简化，提出了一种面向跳跃运动的机构模型，并进行仿青蛙跳跃机器人设计。机器人前肢简化为一个主动肩关节和一个被动肘关节，后肢采用五杆机构作为腿部主体，并增加脚掌和被动附拓关节以保证跳跃和着陆时的稳定性，骸关节具有后摆和外摆两个自由度以调整跳跃的姿态、方向和轨迹。机器人可以调整多种起跳姿态以满足不同的跳跃要求;后肢通过单电机分时控制实现跳跃、空中收腿和能量调节动作，具有较高的功率密度;后肢五杆机构具有与青蛙跳跃时相似的力学规律，起跳时通过与脚掌配合，可以降低提前离开地面
2、的可能，从而降低了能量损耗，模型建立后即可仿真。关键词:跳跃机器人,青蛙,机构设计，仿真Based on solidworks jumping robot leg mechanism modeling and movement simulationAbstracts：Based on the analysis of biological characteristics and jumping movement mech mechanism, frogs complex joint and skeleton structure is simplified. A mechanicalmodel i
3、s put forward and the frog jumping robot is designed. The robots forelimb issimplified as one active shoulder joint and one passive elbow joint for the functionof supporting and stance adjusting. The 5-bar lingkage mechanism is used as themain part of the hindlimb, The two DOFs of coxa joint areused
4、 for adjusting the pose, direction and trajectory of jump . The robot couldAchieve multi-stance to satisfy different demand for jump. The hindlimb could realizethe movement of jump, leg constriction in air and energy adjusting by single motion,which owns high density of actuator. The 5-bar linkage m
5、echanism of hindlimbcooperated with foot has similar process of the thrust force with frog during take -offphase,which possesses the advantages of low likehood of premature lift-off and low. Keywords: jumping robot, frog, mechanism design ,simultion animation目 录1前 言12.跳跃机器人的研究状况32.1跳跃机构介绍32.2 跳跃机器人研
6、究现状42.2.1 研究方法分类42.3. 运动方式分类62.3.1间歇性跳跃机构72.4 跳跃机器人相关介绍72.4.1 两种连续的跳跃机构72.4.2 离心力激励型102.5 课题的研究意义133.仿青蛙跳跃机器人机械系统设计143.1引言143.2仿青蛙跳跃机器人机构模型研究143.2.1青蛙生物特征总结143.2.2机器人机构模型建立153.3仿青蛙跳跃机器人机械本体设计163.3.1机械本体设计准则163.3.2机器人前肢设计173.3.3机器人后肢设计193.3.4机器人机械本体273.3.5 相关零件图283.4仿青蛙机器人跳跃控制流程373.5本章小结384.装配体的建立与动画
7、仿真39结 论40参考文献41致 谢44II1前言机器人一般分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种机器人或者说制造环境下的工业机器人和非 制造环境下的服务与仿人型机器人。同时又把这两类机器人的发展分为三代1:第一代是可编程的视教再现型机器人；第二代是具有一定感和自适应能力的离线编程机器人；第三代是智能机器人。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。纵观机器人的昨天、今天和明天,机器人技术已成为当代研究活跃,应
8、用日益广泛的领域2。机器人的应用情况,是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现3。工业机器人作为生产自动化设备的典型代表,在制造业获得了巨大的成功。进入20世纪80年代以来,机器人技术在信息技术、控制技术、人工智能和传感技术等迅速发展的支持下,已远远超出了服务于制造业的范围,被广泛地应用于非制造领域4。在非制造领域,特种机器人的应用也越来越广泛,正在替代人发挥着日益重要的作用。如现在出现的服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等都具有很大的应用价值。然而随着应用范围的扩大,机器人所处的工作环境也越来越恶劣,诸如考古探测、星际探索、军事侦察以及救援活
9、动等。在这些应用领域中地势往往很复杂,存在各式各样的障碍物或沟渠,有时还存在危险性,这就要求机器人具有很强的自主运动能力及生存能力。例如在911事件的救援活动中就曾经投入了搜索受难者的功能较强的特种机器人。 当前特种机器人的发展以美国和日本为主导,但美国主要倾向于军用,而日本则主要倾向于民用。他们研究的特种机器人大都是轮动或者爬动的特种机器人。但是，在这些应用领域中地表条件一般都很复杂，而且运动过程中经常会碰到各种障碍物或沟渠，这就要求机器人具有很强的自主运动能力及生存能力。移动性能是未来机器人在很多应用场合的关键能力，因为为完成任务，常常要求机器人能够渗透到人员无法进入的禁区进行侦查、探测、
10、攻击、干扰等行动，这些都需要移动能力的保证。机器人除了必须具备先进的信息处理能力、感知能力、判断能力、导航能力和通讯能力，还必须具备很强的在复杂地形下自由运动的能力和灵巧的可操作性才能有效地参与行动。 轮动与爬行都不能越过与自身大小相当的障碍,只有跳跃才能做到。跳跃机器人可以越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物,与原有的运动方式结合可以大大提高机器人的活动范围,而且跳跃运动的突发性与爆发性有助于机器人躲避危险5。另外,在星际探索中,由于月球与火星表面重力加速度大大低于地球(火星为38%,月球为17%),跳跃运动能充分利用这个优势。早在1969年美国就有人研制跳跃机构以用于月球探索6。国外很多研
11、究机构又开始从事微小跳跃机构的研究,并且陆续研制出一些原型实验机。因此,针对当前跳跃机器人的现状和21世纪机器人发展趋势7,研究设计既能跳跃又能移动的跳跃机器人有重要的理论意义和实用价值。 仿青蛙机器人具有爆发力强，落地平稳，四足跳跃等诸多优点，介于此我们选择其为运动模型，进行相关设计分析。2.跳跃机器人的研究状况2.1跳跃机构介绍最早的跳跃机器人为 Raibert 于 1980 年在麻省理工学院机器人实验室研制的跳跃机，这一机器人实现的灵活敏捷的运动令人感到振奋。从那时起，更多的人开始关注跳跃式机器人的研究。 图2.1 单足跳跃机模型目前跳跃机构的理论分析多继承了Raibert的气体推动模型
12、，分析阐述种种非线性动力学现象，并应用了很多非线性动力学分析工具。基本模型如图2.1所示，机构有一个X方向的平移自由度以及足部和躯体之间的旋转自由度，其跳跃与落地过程经过运动学与动力学分析与计算后，只要按规律外加控制就可保持连续平滑的跳跃运动。M.H.Raibert专门著书论述了这一模型，此外很多学者从各个角度对类似机构进行了数学分析与仿真814。 模型中许多假想条件很难满足，并且模型是以自治的连续跳跃运动为分析对象， Raibert 在实验室中的跳跃机构需要大量外围设备与器件作支撑，保证其稳定及供给能量，去掉这些辅助装置就不能形成满足实际需要的跳跃机器人，很多实际机构的研制并未按照上述模型设
13、计。目前跳跃机器人研究比较成功的例子有： 美国国家航空宇航局（NASA）下属的喷气动力实验室(JPL)与加利福尼亚技术学院联合研制了系列跳跃机，用于扩大星际探索中漫游车的活动范围。其中一种蛙形跳跃机重1.3公斤，一个驱动电机由太阳能电池供电，配有微型摄像机及各种传感器用于采集外界信息，最大跳跃高度可达1.8米，在火星上预计可达56米。这一成果被刊登于美国当年的发现杂志上15。 美国明尼苏达大学2000年研制出一种跳跃机器人。直径 4 厘米，可以跳跃、滚动和停止，通过无线电和其他“侦察兵”联系。跳跃由安在机器人腿内的弹簧机构产生的，类似人的单腿跳动。这种机器人可以登楼梯，也可以跳过小的障碍物，还
14、有两个独立的轮子帮助机器人在需要时滚到一定的位置。这种机器人主要面向室内环境，双轮结构以及低重心使其非常适合在光滑地板上运动。 此外美国圣地亚国家实验室、麻省理工学院，瑞士苏黎世大学也分别试制出具有跳跃功能的机器人。美国犹他州大学2001年还专门举办过跳跃机器人大赛。2.2 跳跃机器人研究现状跳跃机构的研究刚刚开展，对已有的机构及其研究方式进行综合分类有助于进一步认清跳跃机构研究状况。2.2.1 研究方法分类根据研究方法跳跃机构可分为两大类，一类是从自然界生物的跳跃动作中获得启发，仿造外型与功能类似的机构，同时实现行走与跳跃，例如机械蟋蟀1617与机械猫等1819，可归为仿生机构。另一类方式就
15、是直接利用简单机构产生弹力（例如离心力、弹簧弹力等），这种方法的机构自由度少，动力学模型简单，实现起来相对容易。 动物腿部肌肉中含有能收缩的肌肉纤维，是运动力量的来源。图2.2 是蝗虫腿部构造图，从中可看到其腿节与胫节相连，可向一定方向转动，使胫节与腿节伸直或褶折，腿节上生有很多斜排的肌肉，控制胫节的运动。肌肉一端附在腿节的外骨皮上，另一端附着在腿节中一种腱筋的结构上，腱筋通过连接腿节与胫节的关节到达胫节和跗节。这些肌肉收缩时便拉动这条腱筋，使胫节与腿节相对拉直，这时可以产生相当大的力。可见蝗虫跳跃的关键在于这些斜排的肌肉。 图2.2 蝗虫腿部结构图除昆虫外，自然界中很多兽类也具有跳跃能力，其中最典型的是袋鼠，它靠两条后腿的跳跃作为其唯一的运动方式。袋鼠的后肢构造中的肌键很长，直通脚跟，有肌肉从脚跟与趾相连。当袋鼠脚踩在地面上时，与体重产生的反作用受到伸肌收缩力量的对抗，而踝骨介于这两种力量作用点的中间，成为与它们方向相反的作用力的支点，所以袋鼠的跳跃是由踝骨形成的杠杆作用造成的，通过肌键的弹性，袋鼠跳跃时可节省能量。此外动物的跳跃能力取决于肌肉的收缩速度，小型动物收缩速度快，大型动物较慢20。 目前
