仿蛙式跳跃机器人

仿蛙式跳跃机器人 交大附中潘阳 辅导老师:朱乔荣 A:引言 B:国内外研究成果 C:仿生对象的选择 D: 弹跳机构分类与优劣势分析 a:概况 钟摆型 (i) (ii)弹射型 (iii)混合型 b,小结 E:对于仿生对象青蛙跳跃动作及轨迹的分析 a:质心运动位置水平分量分析 b:质心运动位置垂直分量分析 质心速度位置水平分量分析 c: d:质心速度位置垂直分量分析 e,对于仿生对象分析的小结 F前期实验与制作规划 G几何画板规划与分析 a,连杆数量的选择 b,连杆长度、比例的规划 c,力学及其跳跃可行性分析 H成果介绍及误差分析 a,机器人简要介绍 b,工作原理 c,试跳数据 d,误差分析 e,创新点 f,与仿生对象的比较 I后期展望 J结束语 K参考文献 引言 移动机器人在当前生产生活中的应用越来越广泛，正在替代人发挥着日益重要的作用。随着应用范围的扩大，机器人面临的环境也越来越恶劣。诸如考古探测、星际探索、军事侦察以及反恐活动等。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。 目前机器人主要有两种运动方式，一种靠轮子或履带驱动，这是大多数移动机器人的驱动方式，诸如各式各样的遥控机器人小车;另一种是仿生的爬行或步行方式。如蛇形机器人、机器猫、机器狗等，轮子或履带驱动的机器人只能在相对平坦的地势下工作，一旦地势凹凸不平其运动将受到很大限制，步行或爬行机器人自由度多、控制复杂、运动缓慢、而且遇到障碍物同样无能为力。 轮动与爬行都不能越过与自身大小相当的障碍，只有弹跳才能做到。弹跳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，而且弹跳运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险，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(火星重力加速度为0.38g，月球为0.17g)弹跳运动能充分利用这个优势。早在1969 年美国就有人研制弹跳机构以用于月球探索，根据当时“阿波罗”号飞船登月时的数据以及后期的试验与计算，列出在月球上三种方式的比较如下表，可见弹跳机在星际探索中是一种非常高效的方式。另外随着近期反恐、战场侦察的需要，国外很多研究机构又开始从事微小弹跳机构的研究并且陆续研制出一些原型实验机。 运动方式 活动距离重量(Kg) 有效载荷(Kg) 持续性 (Km) 450 450 7 弹跳机 3小时 7 205 7 喷气式 131Kg推进燃料 17 1750 漫游小车 更大 数小时 正是因为发现了跳跃机器人可能具有的优势，我决定对跳跃机器人进行研究。 B国内外研究成果 (1)美国麻省理工学院的Raibert教授通过对生物动力学的研究，研制了可以在 两维和三维空间里跳跃及奔跑的单足、双足和四足机器人，腿部采用伸缩 式结构，内有空气弹簧并由液压驱动。Hyon教授研制了仿生机器狗，其关 节式机构腿用两个液压驱动作为肌肉、用弹簧作为腱，能够实现在平面上 的跳跃。 (2)美国CWRU 大学Birth 等研制了长度只有2 厘米的机械蟋蟀，由人工肌肉 驱动，能够完成爬行和跳跃等多种动作。 (3)由 Case Western Reserve University 研究人员研制的机械蟋蟀，其腿部是由 高分子管状纤维编织成的人工筋，纤维内部通过微型空气压缩机充气，微 控制器控制腿部微型阀门及空气压缩机使人工筋作出蹦紧与收缩动作，驱 动机械蟋蟀行走与弹跳。 (4)日本科学家研制的机器猫模型，是通过观察与分析猫在爬墙过程中的动作， 仿造其半边身体的结构而研制的。其弹跳动作不追求弹跳中整体达到的高 度，而是采用半跳半爬的方式翻越障碍物。 C弹跳机构分类与优劣势分析 注:本部分参考刘壮志、席文明、朱剑英、吴洪涛《弹跳式机器人研究》，并给出该的 概述，并对论文内容进行分析，进而得出对本文跳跃机器人的预期目标。 a概述 当前除美国外在日本也有一些机构进行弹跳机构的研究，但研究目的与方式有所不同。美国弹跳机器人研究主要目的是为太空探索与军事应用服务，日本则偏重于机器玩具与机器宠物。 目前实际弹跳机构构造有两类方法，一类是从自然界生物的弹跳动作中获得启发，进行仿造，称为仿生弹跳机构。如:机械蟋蟀与机械猫等。由Case Western Reserve University 研究人员研制的机械蟋蟀，其腿部是由高分子管状纤维编织成的人工筋，纤维内部通过微型空气压缩机充气，微控制器控制腿部微型阀门及空气压缩机使人工筋作出蹦紧与收缩动作，驱动机械蟋蟀行走与弹跳。目前研制的弹跳蟋蟀长70cm ，可以按比例估算将来采用MEMS技术制造的微型机械蟋蟀的重量、功率等参数，目前研究人员正在进行机构微型化工作。 仿生法特点是多自由度、多关节协同动作完成弹跳及爬行动作。关节自由度多，动力学模型复杂，难以实现稳定的运动。因此仿生机构大部分目前只是处于理论分析与技术预研阶段。 另一类方式是利用简单机构产生弹力，这种方法机构自由度少，动力学模型简单，实现相对容易。 跳跃机器人根据能量积累方式的不同可分为钟摆型、弹射型、混合型等。 (i)钟摆型 人在跳跃过程中，手臂摆动方向与腿部弹跳方向相反。手臂运动类似于钟摆运动。依靠关节臂摆动产生的离心力实现弹跳，称为钟摆型弹跳机 通过研究钟摆型弹跳机可以确定手臂摆动在弹跳过程中所起的作用。即使用配重下降时产生的向心力获得向上的加速度而弹起。 分析:根据钟摆原理，采用多个摆动关节设计的跳跃机可以进行弹跳、控制方向、上下楼梯等动作。但是这种机构中离心力不是瞬间释放，其能量部分推动弹跳，而且着陆过程中的能量无法被下一次弹跳所利用，在有限能量供应的自主系统中将大大缩减持续运行时间。因此钟摆机构一般只能作为弹跳运动的辅助方式或用于弹跳机构空中姿态平衡。 (ii)弹射型 将上端固定有质量块的弹簧压紧，然后突然松开，在弹力的推动下弹簧与质量块会弹到空中，这就是现在大多数弹跳机构的原型。这种机构一般由电机、弹性体与锁定触发装置构成。电机通过某种运动转换机构压紧弹簧;弹性体是机构能量存储部件;小而轻的触发装置控制弹性体瞬间释放能量。 卡耐基梅隆大学与瑞士联邦技术学院的 JeansChriztophe、Zuferey 等人研制了一种单足跳跃机构(如图)。通过电机与滑轮装置拉紧绳索，使弹性杆收缩，跳跃时通过触发装置瞬间释放绳索，弹性杆弹开质量块推动机构跃起。 图中电机、控制电路板及电池等安装在弹性杆之上，使增加了保持机构平衡的难度，理论上通过实时检测及控制弹性足部与机构本体之间的夹角Η,可以实现机构的动态平衡。但外界环境中存在各种突发因素，如风、突然碰撞力以及地面的不平坦作用等，这些都是不可预测而又实际存在的，因而实用机构很少采用这种，但它提供了一个机构平衡的研究平台。M.H.Raibert在此平台上进行了一系列试验，其结果为弹跳机构研究提供了理论基础。 分析:这种弹射机构将能量缓慢积累至一定程度然后瞬间释放，完成弹跳动作。较其它方式能量利用效率高。但其运动是间歇性的，每次弹跳需要一段时间积累能量，因而不够灵活。 (iii)混合型 钟摆型与弹射型结合，利用关节臂摆动控制弹簧的伸缩，达到弹跳目的。其原理类似于人在蹦极时的动作，不同的是弹簧固定在机构中一起跳跃。利用这种原理已研制出数种。 混合型机构中关节臂运动必须与弹簧的振动配合 :当机构足部接触到地面时，开始给关节臂施加向上的加速度，从而给弹簧施以向下的压力，帮助弹簧收缩积累能量;弹簧收缩停止时，两关节臂应向下加速运动。循环动作，在不断跳起与落下的过程中积累能量，直至可以达到预期高度。另外越过障碍物的过程中，跃至最高点时应使关节臂重心达到最低，这样在相同的弹跳能量下，整体重心高度不变，机构腿部的高度相对较高，容易达到或超过障碍物的高度。如果在弹跳以后，可以将腿部收紧，落地后通过某种方式再重新站立，则弹跳效果会更好。为控制弹跳方向，可增加关节臂自由度。 分析: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。 b小结与预期目标 以上所述弹跳机构都会遇到电机功率密度问题，弹跳机构要求驱动器轻质量、高功率、高效率。于是我对我的机器人提出了一下预期目标: 1. 用机械完成跳跃在工程学是道难题，但是在生物界，跳跃对于很多生物 却轻而易举，于是我决定模仿某种生物、进行仿生学研究。 2. 生物的跳跃普遍伴有蓄力阶段，所以我打算制作类似弹射型的机器人。 3. 考虑到气动元件难以控制、且要涉及安排气路，我把硬弹簧作为我对储 能结构。 4. 要具有灵活、适应性强等等特点，要有电池储能、和远程遥控等部分。 5. 现在大多数类似机构跳跃效率都很低，要尽可能减少两次跳跃之间间隔。 D仿生对象的选择 说到跳跃,很多人会想到袋鼠、跳蚤和青蛙等等动物，但考虑到跳跃的稳定性、跳跃高度和距离与自身体型的比较，青蛙的跳跃方式都是占优的。所有我决定以青蛙作为仿生对象。 青蛙拥有两栖运动方式，其跳跃运动具有爆发性强、距离远(能达到身体长度的15 倍左右)的特点，拥有这种能力的机器人能轻松越过沟渠和障碍，并且具有良好的环境适应性。因此，对仿青蛙跳跃机器人的研究不仅具有重要的理论与科学意义，而且在未来的星际探索、军事侦察、反恐防爆、抗险救灾等方面具有广泛的应用前景。 E对于仿生对象青蛙跳跃动作及轨迹的分析 注:本部分参考了哈尔滨工业大学机器人技术及系统国家重点实验室的王猛、臧希,赵 杰《面向仿生机器人的青蛙跳跃轨迹采集方法》一文，通过此论文在青蛙运动轨迹提取实验,获得了其质心和各关节的运动信息，通过分析比较能帮助了解青蛙跳跃规律和四肢功能，中 将其结果将用于仿生学分析和跳跃机器人设计中。让我的机器人尽可能模仿青蛙跳跃动作， 达到仿生的目的。 (a) 对青蛙质心的位置进行水平方向上的分解 如图，可以发现青蛙在在跳跃过程的位移过程中，图像几乎为一条斜率大于1的直线，说明在位移过程中，速度基本恒定。 (b) 对青蛙质心的位置进行竖直方向上的分解 由图可知，青蛙跳跃动作大约在0.8秒内可以完成，高度可达1CM左右，跳跃动作比较迅速落地前有一定时间的缓冲。 ,c,对青蛙质心的速度进行水平方向上的分解 观察发现青蛙的水平速度在跳跃启动时速度会激增，保持一段时间后会急速降低并有一段缓冲。 ,d,对青蛙质心的速度进行水平方向上的分解 发现青蛙垂直方向上的速度在起跳发力阶段会急速上升，之后会落入下降阶段，经过缓冲后进入静止状态。 ,e,对青蛙关节夹角数据分析 以上为青蛙关节示意图。 根据以上两张关于夹角的图表，发现:髋关节、膝关节、踝关节在起跳后角度变化相似，都在起跳后舒张到尽可能大，以获得尽可能大的行程。其余关节与跳跃关系不大，在本文中不予分析。 ,f,小结 对以上数据进行分析，不难发现，青蛙的跳跃动作具有时间短、速度快、后腿行程长的特点，最主要的是爆发力强。这就需要我的机器人具有能快速释放大量能量的功能，并且后腿行程要尽可能长。在规划机器人的时候，我都是尽可能使用这些数据来设计我机器人的。 F前期实验与制作规划 (1)在反复观察青蛙各种跳跃视频和文献资料后，由于具有灵活多变且较稳定 的特点，我决定使用连杆机构作为我的机器人的主要结构。 (2)最初想使用四连杆结构，但在调节与比较中发现五连杆更能模拟青蛙跳跃 时各肢体的夹角与运动的轨迹。于是选用五连杆机构。 (3)在课题之初，我尝试性地做了一些弹跳模型和实验，主要材料有橡皮筋、 弹簧、配重等等，并对所观察到的现象进行估算和初步的分析。由于数据 多为估算，考虑到误差较大，并未得出具体数值。但通过对不同配重的多 次实验，得出几个普遍结论: (i)向上的力大于重力才有可能弹起。 (ii)在力相同的情况下，力的行程越大，跳跃越高;在行程相同的情况 下，力越大，跳跃越高。即F?S越大，跳跃越高 (iii)在力矩相同的情况下，适当扩大行程相比扩大拉力更加有效。 其中(i)、(ii)通过基本物理学原理即可得出，本文对(iii)进行一点解释: 经观察发现，若行程短而爆发力大，受力物体往往加速度速度很大，很早 就脱离实力物体，导致施力物体很大一部分能量无法利用，于是可以扩大 行程，适当减少力，让尽可能多的能量被利用。 (4)由于跳跃机器人的研究在工程学上难度较大，仅根据经验判断几何画板有 模拟测量精确、更改数据便捷、能进行复杂函数计算等等诸多优点，我选 择几何画板作为我的作图和前期规划工具。 G几何画板规划与力学分析 在制作之前，我在几何画板上用各种可能的连杆连接方式，调节夹角、长度，并且利用软件进行结构模拟、各关节夹角观测和关键点追踪。来观察机器人后足可能的运动轨迹，进行力学分析。 a:连杆数量的选择 (1) 三连杆 三连杆结构在连杆机构中属于最简单的，主要部分就是力三角形。通过一个三角形来进行结构的固定和力的传递。优点是稳定、牢固。但是由于三角形的特点，三连杆结构不能灵活运动，通常点的轨迹只受杆长度决定，都为弧度较大的一条曲线，而且经过力的分解可知，每个节点受力很大，对于材料要求很高，也会造成无意义的能量损耗。而跳跃机器人要求高效率，不适用于这类机器人。 四连杆 (2) 四连杆是一种运用极为广泛的连杆机构，不仅有了灵活多变、节点处基本无受力的优点，也不失其简洁明了、容易操控的特点。但是我发现多次调整节点与杆长，总是不能很理想地把青蛙运动轨迹模拟出来。于是我决定在我的机器人上使用五连杆结构。 (3) 五连杆 连杆数目增加至五条时，我发现连杆的组合一共有了近20种，再通过调整杆长，后足的运动轨迹可以千变万化;连杆在各个节点所受到的力进一步减小，在轴上只受到很小的摩擦力，;轨迹、行程跟容易规划，于是我选定使用五连杆结构。 b:连杆长度、比例的规划 经过无数次的尝试，发现运用有些比例时机器人后足的轨迹为斜向上、且几乎是一条直线。于是我在这种比例的基础上进行了微调，使后足轨迹接近直线且斜率处于1.2-1.5之间。通过课题开始的一些小实验，把行程长度扩大到10CM左右，最终确定了如图这种杆长与连杆连接方式。考虑到青蛙姿态和连杆轨迹、摇臂的行程，把电机放置在离固定点L约10CM处，并固定上4CM的铝杆和半径为1.2的塑料轮。 c:力学及其跳跃可行性分析 当初在查阅资料时，我想用像其他研究一样，使用运动学和矩阵的知识来解决这个问题，但是在了解运动学知识时发现我的知识实在是有限，根本无法也不可能在三四个月内完成学习。由于我还是高中生，我最终使用高中基本的物理知识:力的分解、力矩平衡和功能守恒等等经典物理知识来进行力学分析，尽管会有少量误差，但是我估计计算结果不会差别太大，事实后来也证明了我的想法。(本次分析不计能量损失) (1) 电机扭矩为32KG/CM，即说明在X厘米处电机扭力为320/X牛。 (2) 测量了一些铝件和电机的质量，估算机器人质量不超过1KG。 (3) 标记后足，测量长度、斜率、摇臂越过的距离(一段弧长) (4) 开始使用高中物理学知识运算: 通过斜率可知，倾斜角约为arctan(-1.34)+π=126.7?; 通过弧长可得电机做功2.45CM*80N=1.96J; 可以得出后足输出力为1.96J/9.34CM=20.98N; 根据力的分解可得竖直向上的力为20.98N*sin(126.7?)=16.82N，水平方向上力为-20.98N*cos(126.7?)=12.54N; 算得竖直方向上行程为9.43CM*sin(126.7?)=7.56CM，水平方向上的行程为-9.43CM *cos(126.7?)=5.64CM; 由于没有损失，在最高处所有向上的动能转为重力势能，得mgh=FS; 机器人受竖直方向上合力为16.82N-10N=6.82N，得h=5.15CM 5) 结论:当机器人质量为1KG时，可以跳起5.15CM，与其他成果比较( 属于跳跃效果优秀。 H成果介绍及误差分析 a:机器人简要介绍 我的机器人在前部分有较松的弹簧和小段前肢，用于落地的缓冲。电机位于机器人前半部分，用挡板和四根杆形成五连杆结构，使用五根硬弹簧作为储能部分，无线电接收及控制电路集成在机器人背部，用三节锂电池供电，红色自锁开关位于机器人尾部作为电源开关。在后足的底部有弹性材料增加后足弹性及摩擦力。 b:工作原理 运动车接收信号后电机驱动摇杆，撞击铝合金挡杆，触动五连杆，拉伸弹簧;摇杆越过挡杆后，弹簧恢复形变，让后足以很大速度击打地面，带动蛙式运动车弹起。 c:试跳数据 我对我的成品进行了试跳，采集了数据，取均值如下:总重0.8KG;高16CM，长18CM(不计前肢);1.32s电机可以转动一周(即跳动一次);高速相机分析跳跃高度约为3CM;因为在不同地面地面摩擦不同，所以水平位移大致在:16CM-20CM之间。 d:误差分析 根据几何画板计算，得1KG的机器人跳跃高度理想值为5CM以上，但实际0.8KG的机器人却没有，我对此结果进行了分析，得出可能产生误差的原因: (1) 未考虑机械磨损、摩擦力等等 (2) 机器人的重心不一定在后足力的方向上，可能实际后足力矩要小一 些。 (3) 弹簧的储能并不一定很完全，即电机做功转化为弹簧的弹性势能的效 率低于100%。 e:创新点 不同于之前的大部分跳跃机器人，我的课题杜绝了使用气动元件，让机器人跳跃动作流畅，能源利用率更高，具有一定的美观性和观赏性。我的跳跃机器人是以仿生青蛙的动作为特点，拥有四条机械腿，运动迅速，跳跃的频率可以明显高于其他跳跃机器人。 f:与仿生对象的比较 本机器人着重模仿青蛙的跳跃动作，下面对青蛙和机器人的跳跃动作的蓄力、发力、起跳等等阶段进行对比。可以发现我的机器人在动作上与真实青蛙基本一致。 I后期展望 现在我的机器人使用电机的小半周的行程来储能，有一定的浪费，应该改变一些机构、最好把电机转动一周的能量都能充分，提高效率。可以利用增加减速比来增加发动机提供的力矩，这样就可以换用硬度系数更高的弹簧来储能，让机器人有更高的跳跃高度。 还可以调试连杆比例使弹簧储能和后脚有效行程，使他们能达到最佳的状态。实际应用价值更加大。最后，希望能试着增加自由变向跳跃，使跳跃机器人更加灵活，适应地形能力更强。 J结束语 我根据对青蛙运动的分析和简化，提出了仿青蛙跳跃机器人的机构模型，给出了跳跃机器人起跳和腾空阶段，并进行了几何画板模拟计算和实例计算验证，证明了跳跃机构模型和物理学分析方法的正确性，这是我的机器人能成功弹跳的重要原因。我还针对机器人腾空阶段四肢的运动空间进行了分析，并最终对于误差进行了系统分析。上述结论将在仿青蛙跳跃机器人的设计，以及跳跃运动的控制中提供理论基础。发掘机器人以跳跃作为行进方式的好处。 最后，在这个科技不断发展的世界，相信对于跳跃机器人会有越来越多的研究，而仿生学也是未来工程学的一个重要组成部分，希望我的课题能在提高自己能力的同时，为今后仿生跳跃机器人的研究和制作做铺路石。 K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》2003年11月 (2) 哈尔滨工业大学机器人技术及系统国家重点实验室的王猛、臧希,赵杰 《面向仿生机器人的青蛙跳跃轨迹采集方法》2008年8月 (3) 陈勇，陈东辉，佟金，陈秉聪《生物的跳跃形态与仿生跳跃机器人》