弹跳机器人翻转机构的设计与优化

可跳跃移动机器人机构设计与跳跃过程控制研究综述目录一、内容概括 (2)1.1 跳跃移动机器人的研究背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状及发展动态 (4)二、可跳跃移动机器人机构设计 (5)2.1 机器人总体结构设计 (7)2.2 跳跃机构设计 (7)2.2.1 基本跳跃机构 (9)2.2.2 复杂跳跃机构 (10)2.3 仿生跳跃机构设计 (10)2.3.1 蜻蜓式跳跃机构 (12)2.3.2 鸟类跳跃机构 (13)三、跳跃过程控制研究 (14)3.1 跳跃运动规划与控制策略 (15)3.1.1 基于预设轨迹的跳跃控制 (16)3.1.2 基于最优控制的跳跃控制 (18)3.1.3 基于模型预测控制的跳跃控制 (20)3.2 跳跃过程中的动力学分析与建模 (21)3.2.1 跳跃机器人的动力学建模 (22)3.2.2 跳跃过程中的力学分析 (24)3.3 跳跃机器人的感知与交互技术 (25)3.3.1 激光雷达感知技术 (26)3.3.2 触觉传感器感知技术 (28)3.3.3 人机交互技术 (30)四、实验与仿真分析 (31)4.1 实验环境搭建与实验方法 (33)4.2 实验结果与分析 (34)4.3 仿真结果与分析 (35)五、结论与展望 (36)5.1 研究成果总结 (37)5.2 存在问题与不足 (39)5.3 未来发展方向与展望 (40)一、内容概括随着科技的不断进步，可跳跃移动机器人作为一种具有高度自主性和灵活性的机器人形式，受到了广泛关注。

本文旨在对近年来可跳跃移动机器人机构设计与跳跃过程控制的研究进行综述，以期为该领域的发展提供参考和启示。

在可跳跃移动机器人机构设计方面，研究者们主要关注机器人的结构、驱动和跳跃性能等方面。

结构设计方面，为提高机器人的稳定性和机动性，往往采用多关节、柔性杆等复杂结构。

驱动方式上，除了传统的电机驱动外，还有采用生物启发式驱动（如仿生肌肉、形状记忆合金等）的机器人。

地震搜救机器人与多功能升降器开题报告班级（学号）：机0606（306010631）姓名：张威指导教师：王科社教授一、综述地震搜救机器人1 引言机器人的运动灵活性问题正日益受到关注，面对恶劣的环境、复杂的地形和危险地带时，要求机器人具有很强的自主运动能力及生存能力。

目前对自主式移动机器人的研究主要以轮式或履带式的机器人和仿生的爬行或步行方式的机器人为主。

而轮式或履带式机器人只能在相对平坦的地势下工作，一旦遇到凹凸不平的地形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，遇到障碍物时同样无能为力。

机器人在实际应用时，很多时候要求其具备弹跳装置以便跃过障碍物或沟渠。

而多轮驱动以及爬行机器人无法满足这种要求，因此迫切需要研制一个具有穿越建筑物楼梯、碎石甚至森林和沙漠的弹跳式微型机器人，从而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，并且由于各星球间重力加速度的差别，使弹跳式机器人在星际探险中也能发挥重大作用，另外在考古探测、军事侦察、反恐活动中也能更好地发挥作用。

2 国内外弹跳式机器人发展现状美国的科学家发明了一个会跳跃的机器人，可以跳到高达20英尺，比目前的机器人更加机动和灵活。

山迪亚国家实验室的史宾沙博士指出，目前的机器人是利用车轮走动，不能够跳跃，他们设计的机器人，是利用一个内燃机推动的活塞，像草蜢一样，可以跳跃高达10―20英尺。

如图1所示，是科学家示范机器人跳跃的情况。

史宾沙博士解释说，机器人是使用碳化氢燃料推动，这种燃料的推动力比电池强大得多，机器人跳跃4000次、移动超过5里路程，只消耗20g的碳化氢燃料。

机器人在泥沙和沙滩行走，也可以活动自如。

科学家正研究让机器人完成一些困难的任务，如清理地雷，甚至帮助太空人在星球上工作等。

图1 跳跃的机器人美国加利福尼亚大学也研究出具有弹跳能力的机器人。

图2为第一代单脚跳跃机器人。

这个机器人的运动形式优于传统的轮式和腿式运动。

2023年 第47卷 第11期Journal of Mechanical Transmission 仿婴猴单腿弹跳机器人结构设计与实现李静1 李贵1,2,3 孙伟1,2,3 陈浩祚1 叶茂1 李镕合1（1 武汉科技大学 机械自动化学院， 湖北 武汉 430065）（2 武汉科技大学 冶金装备及其控制教育部重点实验室， 湖北 武汉 430081）（3 武汉科技大学 机械传动与制造工程湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430065）摘要 针对弹跳仿生机器人存在的主要问题，结合婴猴体型小且具有平稳暴发弹跳的特点，提出了一种仿婴猴单腿弹跳机器人，对其主要结构和控制系统进行了设计。

通过分析婴猴的腿部结构，基于Stephenson 六杆机构原理，设计了一种仿婴猴机器人腿部的平面八连杆机构，并对其轨迹进行优化，获得了具有最佳弹跳能力的杆长参数；对机器人弹跳的3个方向进行控制调整，利用双闭环反馈控制系统实现了机器人在起跳、腾空、落地时姿态的稳定；最后，建立了机器人的实物验证模型，整个机械装置质量为395.5 g ，整体高度为250 mm 。

实验结果表明，该仿生单腿机器人可实现连续稳定的跳跃，最高弹跳速度可达20 m/s ，弹跳高度为100 mm 时的响应时间为0.1 s 。

关键词 婴猴 单腿弹跳机器人 平面八连杆机构 结构设计 姿态控制Structural Design and Implementation of Simulating Galago SenegalensisMonkey Single-leg Jumping RobotsLi Jing 1 Li Gui 1,2,3 Sun Wei 1,2,3 Chen Haozuo 1 Ye Mao 1 Li Ronghe 1(1 School of Machinery and Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)(2 Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control Technology of the Ministry of Education, Wuhan University of Scienceand Technology, Wuhan 430081, China)(3 Hubei Key Laboratory of Mechanical Transmission and Manufacturing Engineering, Wuhan University of Science andTechnology, Wuhan 430065, China)Abstract Aiming at the main problems existing in the jumping robot, combined with the galagosenegalensis monkey´s characteristics of small sizes, stable and explosive jumping, a kind of galago senegalensis monkey single leg jumping robot is proposed in this study, and its main structure and control system are designed. Based on the principle of the Stephenson´s six-bar linkage, a planar eight-bar linkage for the leg of simulating galago senegalensis monkey robot is designed, and its trajectory is optimized to obtain the bar length parameters with the best jumping ability. The three directions of the robot´s jumping are controlled and adjusted, and the double closed-loop feedback control system is used to ensure the stability of the robot´s attitude when taking off, soaring in the air, and landing on the ground. Finally, the physical verification model of the robot isestablished. The total weight is only 395.5 g, and the overall height is 250 mm. The experimental results show that the simulating single leg robot can achieve continuous and stable jumping, the highest jumping speed canreach 20 m/s, and the response time at a jumping height of 100 mm is 0.1 s.Key words Galago senegalensis monkey Single-leg jumping robot Planar eight-bar linkage Struc⁃ture design Attitude control文章编号：1004-2539（2023）11-0043-06DOI ：10.16578/j.issn.1004.2539.2023.11.00743第47卷0 引言相较于轮式、履带式以及行走机器人，弹跳机器人具有更强的越障性和复杂环境适应性，在救援、军事、考古等领域具有广阔的应用前景。

机器人跳跃运动控制与优化引言：随着科学技术的不断进步，机器人在现代社会中扮演着越来越重要的角色。

机器人不仅在工业生产中提高了效率，还在日常生活中协助人们实现各种任务。

其中，机器人的运动控制技术是其核心之一，而机器人跳跃运动控制的研究则成为了近年来的热点话题。

本文将探讨机器人跳跃运动控制的原理与现实应用，并介绍相应的优化方法。

一、机器人跳跃运动的原理1. 弹跳法机器人通过弹跳法实现跳跃运动。

这种方法模仿了人类的动作，将机器人的身体部件作为一个整体进行控制，达到类似于跳跃的效果。

弹跳法的关键在于准确掌握机器人的身体平衡和肌肉力量的协调。

通过合理的算法和控制系统，机器人能够在跳跃过程中保持平衡，完成预定的跳跃高度和个性化的动作。

2. 机械臂协同控制机器人跳跃过程中，机械臂扮演着重要的角色。

通过机械臂的协同控制，机器人能够在跳跃过程中保持自身平衡，并完成一系列复杂的动作。

机械臂的运动轨迹规划和控制算法是实现机器人跳跃的关键之一。

通过高效的机械臂协同控制，机器人能够在跳跃中实现精准的动作展示和准确的落地目标。

二、机器人跳跃运动的应用场景1. 娱乐表演随着人们对科技的追求和娱乐需求的不断增加，机器人跳跃运动被广泛应用于娱乐表演领域。

各种形状、大小和功能的机器人通过跳跃展示出令人惊叹的动作和技巧。

机器人跳跃运动的精准性和高度可控性使得演出更加精彩，吸引了大量观众的目光。

2. 救援和探索机器人跳跃运动在救援和探索领域也具有广阔的应用前景。

通过弹跳法，机器人能够跳跃过各种高低不平的地形，实现自主探索和救援任务。

例如，机器人可以通过跳跃越过障碍物，进入狭小空间进行救援任务，或者在恶劣环境中探索，收集数据。

机器人跳跃的自由度和适应性使其成为救援和探索领域中的有力工具。

三、机器人跳跃运动的优化方法1. 运动轨迹规划机器人跳跃运动的最关键问题之一是准确的轨迹规划。

通过优化路径规划算法，机器人可以根据目标高度和跳跃动作的需求，计算出最佳的跳跃路径。

弹跳机器人弹跳机构的设计与仿真分析马文硕;米洁【摘要】在仿生蝗虫跳跃机理的基础上，给出了弹跳机器人的弹跳机构设计方案，并从理论上分析了其可行性与优势。

根据蝗虫腿部的跳跃特点，建立了弹跳机器人的弹跳机构模型。

利用虚拟样机技术，对弹跳机器人进行仿真与分析，得出了弹跳机器人的位移、速度、蹬地力曲线，分析了不同参数对弹跳高度与距离的影响。

然后通过仿真得到了弹跳机器人蓄力阶段的驱动力矩曲线，为弹跳机器人动力配置提供了依据。

【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2014(000)015【总页数】4页(P41-44)【关键词】弹跳机器人;蝗虫;弹跳机构;虚拟样机;仿真分析【作者】马文硕;米洁【作者单位】北京信息科技大学机电工程学院，北京100192;北京信息科技大学机电工程学院，北京100192【正文语种】中文【中图分类】TH113;TH1220 引言随着机器人在当今生活中的应用越来越广泛，替代人类发挥的作用日益重要，机器人面临的条件也越来越恶劣，例如救灾、星际探索、军事侦察、考古探测等，这些情形往往具有复杂的地势，需要机器人具有良好的机动能力和越障能力。

地面机器人现有的移动方式多为轮式和履带式，均具有较好的机动能力。

而越过与自身大小相当的障碍时，只有弹跳能够做得到。

目前实际弹跳机构构造有两类方法[1]，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，如机械袋鼠等[2～4]。

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。

因此设计一种运用仿生弹跳机构的弹跳机器人，并将其作为后续研究的动力平台。

1 弹跳机器人的弹跳机构设计跳跃的实质在于质心具有足够快的上升速度[5]，故设计的方案是否可行的关键在于：弹跳机器人跳起的过程中其执行件能否为躯体提供足够大的速度。

再而根据动量定理，因为Ft=mv2-mv1，执行件的力越大或执行件与地面间接触时间越长，即冲量越大，自身获得的动量就越大。

仿青蛙跳跃机器人的结构设计1. 仿青蛙跳跃机器人概述随着科技的发展，机器人技术在各个领域的应用越来越广泛。

仿生机器人作为一种模仿生物形态和行为的新型机器人，受到了广泛关注。

本篇文档将详细介绍一种仿青蛙跳跃机器人的结构设计。

仿青蛙跳跃机器人是一种以青蛙为原型，模拟其跳跃行为的机器人。

其主要特点在于模仿青蛙的肌肉结构、关节运动和平衡机制，使其具有优异的跳跃能力和灵活性。

这种机器人不仅可以应用于军事侦察、救援行动等危险环境，还可以在体育、娱乐等领域发挥重要作用。

躯干结构：躯干是机器人的主体部分，负责支撑四肢和各种传感器。

采用轻质材料制作，以减轻整体重量，提高跳跃能力。

四肢结构：四肢包括前肢和后肢，分别模拟青蛙的前臂和后腿。

每个肢体的关节由伺服电机驱动，实现弯曲、伸展和扭转等功能。

腿部结构：腿部结构负责提供跳跃的动力和稳定性。

采用弹性材料制作，以吸收冲击力，保护内部结构。

滑行装置：滑行装置位于机器人底部，用于在地面滑动。

可以采用滑轮、轮胎等不同类型的滑行装置，根据实际需求进行选择。

传感器模块：传感器模块用于感知周围环境，如地形、障碍物等。

包括深度传感器、触觉传感器、声音传感器等，为机器人提供丰富的信息来源。

控制系统：控制系统负责指挥和协调各部件的工作。

采用嵌入式控制系统，具有较高的处理能力和稳定性。

仿青蛙跳跃机器人通过模仿青蛙的跳跃行为，实现了高效、灵活的跳跃能力。

在未来的发展中，这种机器人将在更多领域发挥重要作用，为人类的生产和生活带来更多便利。

1.1 研究背景随着科技的不断发展，仿生学在各个领域取得了显著的成果。

仿生机器人作为一种新兴的研究领域，旨在通过模仿生物体的结构、功能和行为来设计和制造具有特定功能的机器人。

青蛙作为自然界中一种具有高度智能和灵活性的动物，其跳跃能力在动物界中独树一帜。

研究如何将青蛙跳跃机制应用于机器人的设计中，具有重要的科学价值和实际应用前景。

仿青蛙跳跃机器人的研究逐渐受到国内外学者的关注，这类机器人在军事、医疗、救援等领域具有广泛的应用潜力。

第３４卷第２４期中国机械工程V o l ．３４㊀N o ．２４２０２３年１２月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．２９４６Ｇ２９５１一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作王铠迪１㊀陈岁繁１㊀唐㊀威２㊀秦可成２㊀李其朋１㊀杨㊀展１㊀刘㊀阳３㊀邹㊀俊２１．浙江科技学院机械与能源工程学院,杭州,３１００２３２．浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,杭州,３１００２７３．安徽理工大学机械工程学院,淮南,２３２００１摘要:为了提高小型机器人的机动性,增加运动步态的多样性,基于蝗虫的身体结构和运动机理设计了一款仿蝗虫弹跳的跳跃机器人,机身主体采用３D 打印制作而成.为了复现蝗虫的弹跳动作机理,在机器人主体的连接处安装了扭转弹簧来模拟蝗虫的S L P 机构(半月形储能机构),当机器人遇到障碍物时,扭转弹簧将储存的弹性势能释放,产生地面反作用力,实现机器人的弹跳从而越过障碍物.经实验验证,该机器人具有良好的跳跃性能,其跳跃距离可达１００c m ,跳跃高度可达１２０c m ,约为自身身长的１５倍.关键词:仿生;蝗虫;弹跳机构;扭转弹簧;三维打印中图分类号:T P ２４２D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４ １３２X．２０２３．２４．００６开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):AB i o n i cB o u n c i n g R o b o tD e s i g na n dM a d e I n s p i r e db y Lo c u s t s WA N G K a i d i １㊀C H E NS u i f a n １㊀T A N G W e i ２㊀Q I N K e c h e n g ２㊀L IQ i p e n g １㊀Y A N GZh a n １L I U Y a n g ３㊀ZO UJ u n ２１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dE n e r g y E n g i n e e r i n g ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,H a n gz h o u ,３１００２３２．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f F l u i dP o w e r a n d M e c h a t r o n i cS y s t e m s ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y,H a n gz h o u ,３１００２７３．C o l l e g e o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,A n h u iU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,H u a i n a n ,A n h u i ,２３２００１A b s t r a c t :I n o r d e r t o i m p r o v e t h em o b i l i t y o f s m a l l r o b o t s a n d i n c r e a s e t h e d i v e r s i t y ofm o v e m e n t g a i t ,a j u m p i n g r o b o t i m i t a t i n g l o c u s t b o u n c i n g w a s d e s i g n e db a s e do n t h eb o d y st r u c t u r e a n dm o v e Ｇm e n tm e c h a n i s mo f l o c u s t s ,a n dt h e m a i nb o d y w a sm a d eb y ３D p r i n t i n g ．A n df o r r e p r o d u c i n g th e l o c u s t sb o u n c i n g m e c h a n i s m ,a t o r s i o n s p r i n g w a s i n s t a l l e d a t t h e j o i n t s o f t h e r o b o t b o d yt o s i m u l a t e t h e l o c u s t sS L P (s e m i l u n a r e n e r g y s t o r a ge )m e c h a n i s m．W h e n t h e r o b o tm e t a no b s t a c l e ,t h e t o r s i o n s p r i n g r e l e a s e d t h e s t o r e d e l a s t i c p o t e n t i a l e n e r g y an d g e n e r a t e da g r o u n dr e a c t i o n f o r c e ,w h i c hr e a l Ｇi z e d t h e r o b o t s b o u n c i n g a n d t h u s c r o s s e d t h e o b s t a c l e ．T h e r o b o tm i g h t i m i t a t e t h e l o c u s t s j u m p i n ga c t i o n s ,a n d s i m u l a t e t h e l o c u s t s f l e x ib i l i t y t o ac e r t a i n e x t e n t ．I tw a s e x p e r i m e n t a l l y ve r if i e d t h a t t h e r o b o th a sg o o d j u m p i n g p e r f o r m a n c e ,w i th a j u m pi n g d i s t a n c e o f u p t o １００c ma n d aj u m p i n g h e i gh t o f u p t o １２０c m w h i c h i s a b o u t １５t i m e s o f t h e o w n l e n gt h ．K e y wo r d s :b i o n i c ;l o c u s t ;b o u n c i n g m e c h a n i s m ;t o r s i o n s p r i n g ;３D p r i n t i n g 收稿日期:２０２３０１１２基金项目:全国博士后创新人才支持计划(B X ２０２２０２６７);浙江省科技厅领雁项目(２０２２C ０４０２２)０㊀引言经过数亿年的进化,生物已经形成了灵巧的运动机制和敏捷的运动模式[１Ｇ２].在仿生技术研究中,可以借鉴生物界中的各种生物体,如鸟类㊁昆虫类㊁鱼类等来设计具有特定功能的机器人[３Ｇ６].HU A N G 等[７]设计了一款模仿鸟类飞行的扑翼机器人,这个机器人通过模拟鸟类的翅膀运动,实现了较高机动性和灵活的飞行能力.王猛[８]设计了一种简化的单自由度菱形四杆仿生青蛙后肢机构,该机构利用电机拉动绳子储存弹簧能量.B A E K 等[９]基于瓢虫的运动规律,设计出一种可以在１１６m s 内展开,并且可以承受自身质量１５０倍的顺从折纸结构,该结构具有强大的能量存储能力和可靠的自锁能力.K U R N I AWA N 等[１０]设计了一款采用形状记忆合金弹簧来柔性驱动的仿昆虫跳跃机器人,该机器人体积轻巧质量仅为２１６m g.T A N G 等[１１]设计了一种采用柔性电流体泵驱动的仿生机器鱼,该机器鱼通过模拟鱼类的身体结构和尾鳍摆动,实现了优雅而高效的水中游动.６４９２腿部跳跃机器人利用仿生学原理[１２],将机器人的设计从生物形态或结构功能转变为工程领域的原型,在跨越障碍㊁危险工作环境和低重力空间环境的任务中发挥自身的移动优势,实现了更加灵活的自主运动[１３Ｇ１８].本文模仿的生物跳跃原型为蝗虫,蝗虫是一种具有良好跳跃能力的昆虫,它能够一次性地跳跃超过自身体长２０倍的距离[１２],从而使得它可以轻松地越过障碍物或迅速移动到新的位置.基于对蝗虫跳跃机理的研究,本文设计了一款具有一定仿生意义的弹跳机器人,且采用３D打印方法对其进行了制作,最后通过实验验证了该机器人有良好的跳跃性能.１㊀蝗虫生理分析蝗虫是一种具有优秀运动能力的生物,它能够快速地爬行和弹跳.蝗虫的弹跳机制与人类的弹跳机制有很大的不同,蝗虫的弹跳运动主要依靠它的后腿,蝗虫后腿表面是一层壳,分布在壳中的是后腿肌肉.如图１a所示[１８],蝗虫弹跳所使用的最主要的两块肌肉为胫节伸肌和胫节屈肌.伸肌控制腿的伸展,而屈肌控制腿的收缩,它们都连接在转节肌肉和基节肌肉上.图１b所示为高清显微镜下看到的蝗虫后足超清内部结构[１９],可以看到腿节和胫节是由关节连在一起的,且蝗虫的胫节和股节上都有锋利的小毛刺.这些毛刺的作用主要是吸附抓紧地面,增强腿部和地面之间的摩擦力,使整个身体牢牢抓紧在地面上.(a)后腿肌肉图[１８](b)高清后足图[１９]图１㊀蝗虫后腿结构图F i g．１㊀S t r u c t u r e d i a g r a mo f l o c u s t h i n d l e g s蝗虫在胫节伸肌和胫节屈肌的配合下,通过后腿[１９]的弯曲和折叠以及突然伸张来实现跳跃,如图２所示.蝗虫后腿的跳跃可分为３个阶段:①正常阶段.在跳跃之前,胫骨延伸到一定程度,此时胫节伸肌和胫节屈肌处于放松状态.②收缩阶段.蝗虫的收缩阶段细分为两个过程,刚开始收缩时,胫节伸肌不收缩,屈肌进行收缩,导致蝗虫胫骨向股骨挤压,形成折叠;第二个为共同收缩阶段,蝗虫胫节伸肌和胫节屈肌同时进行收缩,让半月形储能机构(S L P)弯曲,用来储存跳跃能量.③伸展阶段.胫节屈肌进行放松,推动伸肌和S L P 有力地伸张胫骨,骤然间释放能量,让蝗虫完成蹬地起跳.㊀㊀(a)正常阶段㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)收缩阶段(c)伸展阶段图２㊀蝗虫后腿跳跃机理F i g．２㊀J u m p i n g m e c h a n i s mo f l o c u s t h i n d l e g s本文基于以上原理,设计了一款仿蝗虫弹跳机器人.２㊀弹跳方案的确定对于已经给定质量的弹跳机器人,其目标是增加它的跳跃高度和跳跃距离.而跳跃设计分为两方面,一个是如何减小弹跳机器人的质量,另一个是如何增加弹跳存储的能量.减小弹跳机器人的质量以及缩小弹跳机器人的尺寸往往会带来以下几个结果:①该弹跳机构的动能由扭转弹簧的弹性能转化而来,质量的减小会生成更高的初速度v０;②在机构的弹性能保持不变的前提下,机器人质量的减小及其尺寸的缩小会导致结构中有较小的横截面,使机构承受的应力变大,增大机构在跳跃时的形变;③整体质量的减小缩小了可存放电池的尺寸及容量,导致机构运动时间缩短.７４９２一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作 王铠迪㊀陈岁繁㊀唐㊀威等此外,如将机器人看作是一个点质量,机器人的正面面积在弹道阶段是固定的,而且机器人在空中阶段不会旋转,由此可以得到机器人[２０]的运动方程为y㊆(t)＝－g－１２mρC d A s(y (t))２(１)式中,y(t)为机器人的垂直位置;g为重力加速度;ρ为空气密度;m为机器人的质量;C d为阻力系数;A s为机器人运动方向的正面面积.式(１)的初始条件为y(０)＝０,y (０)＝v０.由式(１)可得出机器人的垂直速度y (t)＝gαt a n(γ－αg t)(２)α＝ρC d A s/(２m)㊀㊀γ＝a r c t a n(v０α/g)和机器人的垂直位置y(t)＝１αl n(c o s(γ－αg t)c o sγ)(３)为了找到机器人跳跃的最高位置,设置y (０)＝０,t＝γ/αg,y (t)＝０,得到最高跳跃高度:h＝１αl n(１c o s[a r c t a n(αg v０)])(４)为了确定弹跳的初速度v０,假设弹跳机构的弹性能都转化成了动能,没有耗费损失,但这一假设并不反映现实中的情况,对于任何的弹跳机器人,都会由于摩擦损失一部分能量,然而这种假设能够帮助我们简单且清晰地观察到机器人的质量对跳跃高度的影响,可以得到能量方程为１２m v２０＝１２K n(Δθ)２(５)式中,K为弹簧的弹性系数,N m/r a d;n为并联的弹簧数量;Δθ为弹簧的偏转角.可以得到初速度v０＝K n mΔθ(６)将式(６)代入式(４),可以得到机器人的质量m与弹跳高度h(m)的关系:h(m)＝σm l n(１＋(δm)２)(７)δ＝ΔθρC d A s K n/(２g)㊀㊀σ＝１/(ρC d A s)式中,δ㊁σ为两个常量,由系统参数确定.式(７)表明质量的确对高度有一定的影响,且在d h(m)/h(m)＝０时达到最大高度,有mʈδ１．９８(８)将式(８)作为弹跳机器人的设计原则,可以适当调整机器人的尺寸㊁电池容量大小㊁驱动舵机样式等.３㊀仿生弹跳机器人的设计和制作综合国内外学者对弹跳机器人的研究,弹跳机器人的动力源可以选择弹簧驱动㊁气压驱动㊁液压驱动㊁电磁铁驱动和化学能驱动等多种方式.笔者最终选用扭转弹簧作为弹跳机器人的动力源,采用了５个１．２ˑ６ˑ３ˑ１２０(线径为１．２mm,外径为６mm,外径圈数为３,展开角为１２０ʎ)尺寸的扭转弹簧作为储能机构.采用扭转弹簧驱动有如下几个优势:①驱动效率高.当弹簧储存能量并释放时,能够提供高弹性力量,使机器人实现快速㊁高效的弹跳运动.相比之下,气压驱动和液压驱动可能存在能量损耗和能量传输效率较低的问题.②驱动能量少.弹簧可以通过外部施加的力进行预压,储存能量,并在释放时提供驱动力.相比之下,电磁铁驱动和化学能驱动可能需要更多的能量输入来实现相同的驱动效果.③设计简单.弹簧驱动的机器人相对于其他驱动方式设计较简单.弹簧作为一种简单㊁可靠的驱动元件,不需要复杂的控制系统或额外的能源供应,有助于减少机器人的复杂性㊁减小质量并提高可靠性.④成本较低.相比于一些高成本的驱动方式,弹簧驱动通常具有较低的制造和维护成本,弹簧本身的成本相对较低,且不需要复杂的附件或特殊材料.这使得弹簧驱动成为一个经济实用的选择.本文设计的弹跳机器人电机选择空心杯微型数码小舵机,将该舵机的控制线正确地连接到接收机上的一个空闲通道,再将接收机与遥控器所使用的频率和通道相匹配,以确保遥控器和接收机之间通信正常,通过遥控器的摇杆来控制舵机的输出.该舵机可以满足弹跳机构所需的电机高转速㊁大扭力㊁小质量的特点.在综合考虑市面上几种常见舵机的额定电压㊁转速㊁功率㊁额定转矩和质量等参数性能后,选择G DW R S０７０８空心杯舵机作为本文所设计弹跳机构的驱动电机,该电机可输入４．８~８．４V的电压,具体参数如表１所示.表１㊀G D W R S０７０８舵机参数表T a b．１㊀G D W R S０７０８s e r v o p a r a m e t e r l i s t名称参数范围电压范围４．８~８．４V适应温度－２０~６０ħ工作频率１５２０μs/３３３H z㊀㊀为了满足压缩５个扭转弹簧所需的扭力,在不同电压下分别对舵机的扭力㊁速度㊁快速持续电流等参数进行了测试,如表２所示.最终采用７．４V微型聚合物充电锂电池进行机器制作,该锂电池８４９２中国机械工程第３４卷第２４期２０２３年１２月下半月质量约为２７g ,具有安全性能高㊁尺寸小㊁质量小㊁容量大㊁内阻小㊁放电特性佳等优点.表２㊀G D W 不同电压下舵机性能T a b ．２㊀G D Ws e r v o p e r f o r m a n c e u n d e r d i f f e r e n t v o l t a ge s 电压(V )速度(s /６０ʎ)扭力(k g c m )快速持续电流(m A )死区(μs )４．８０．１７３．５２００２５．５０．１５４．７２８０２６．００．１２６．０４２０２７．４０．１０６．８５００２８．４０．０８７．５６００２㊀㊀本文设计的仿生弹跳机器人的传动机构包括微型舵机㊁丝杠和螺母㊁配合丝杠的圆筒㊁一个弹簧钩子㊁一个滑动导轨机构㊁两根类似肌腱状金属细丝和下股骨的碳棒.通过舵机配套的固定件使用紧定螺钉将舵机与圆筒进行固定;螺母配合在丝杠上,丝杠与圆筒通过ϕ３mm 螺杆螺母进行配合.其中,丝杠上螺母和弹簧钩子之间用一根金属丝进行连接,另一根金属丝连接在下肢的碳棒和圆筒之间;通过图３所示的滑动导轨机构将螺母的转动转变为移动,整体传动机构的三维图见图４.金属丝模拟的是胫节肌肉的伸缩:逆时针旋转时,模拟胫节屈肌,此时胫骨向股骨靠近;顺时针旋转时,模拟胫节伸肌㊁胫骨向股骨疏远,完成跳跃.原理如图５所示.图３㊀滑动导轨机构F i g．３㊀S l i d e r a i lm e c h a n i s m 图４㊀传动机构三维图F i g ．４㊀T h r e e Ｇd i m e n s i o n a l d i a gr a mo f t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m弹跳与复位的过程一共存在７个阶段:①初始阶段.将一枚６０ʎ扭转弹簧嵌入弹簧钩子内部,两者固连一体的,两根金属丝都处于绷紧状态.②小舵机逆时针旋转,带动螺母前进,第二个金属丝松开,将下肢的碳棒向弹簧钩子方向拉进,图５㊀跳跃原理图F i g ．５㊀J u m p sc h e m a t i c 直到弹簧钩子底部的斜面与圆碳棒相切.③此时再稍稍旋转舵机,弹簧钩子就会顺着斜面弹开.④在扭转弹簧的作用下,弹簧钩子会回弹,自动扣上碳棒.⑤舵机顺时针旋转,会拉动螺母往外移,在此期间,第一根金属丝会不断伸展,临界状态为拉紧第二根金属丝.⑥稍稍转动舵机,第二根金属丝就会将弹簧钩子拉开,完成跳跃.⑦此时再逆时针转动舵机,整个机构又会恢复到①状态.对于仿生弹跳机器人这一构型,除了机构的设计以及弹跳原理的把控之外,针对其样机的制作和组装对仿生机器人的研究也是至关重要的.在材料和加工的选择中,为了满足机构所需要的精度要求㊁强度要求和结构特点等要素,选择了３D 打印技术作为主要的加工方式.本文３D 打印所采用的材料有未来８２００p r o 树脂材料和未来７１００尼龙材料,部分树脂材料由于在弹跳的复位与变形过程中变形及承受的扭曲力比较大,容易破碎,因此采用尼龙材料.尼龙材料有较好的耐磨性和耐冲击性,且密度相对较小,两者的材料属性如表３和表４所示.表３㊀未来８２００pr o 树脂T a b ．３㊀F u t u r e ８２００pr o r e s i n 名称数值热变形温度(ħ)５８拉伸模量(M P a )２６００拉伸强度(M P a )５２．３断裂应变(％)１１屈服应变(％)３．４缺口冲击强度(k J /m )３６９４９２ 一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作王铠迪㊀陈岁繁㊀唐㊀威等表４㊀未来７１００尼龙T a b．４㊀F u t u r e７１００n y l o n名称数值热变形温度(ħ)１４５拉伸强度(M P a)４６拉伸模量(M P a)１６００弯曲强度(M P a)４６．３弯曲模量(M P a)１３００缺口冲击强度(k J/m)４．９无缺口冲击强度(k J/m)１３．２介电常数(６０H z)３．５㊀㊀使用３D打印技术进行加工的部件有:舵机的底座台㊁滑动导轨机构㊁扭转弹簧上下支撑板.其中上下支撑板由于承受扭转弹簧的变形,采用更坚硬的尼龙材料打印.在整体的材料配合中,选择碳纤维杆作为结构梁材料贯穿连接整个机身,碳纤维杆具有较高的抗拉强度,本身密度小,且更加经济实惠,可以承受因扭转弹簧压缩导致的弯曲变形而不破裂.整体完成组装后的弹跳机器人如图６所示,高４２m m,长８０m m,质量为７５g.图６㊀组装后的弹跳机构F i g．６㊀T h e b o u n c em e c h a n i s ma f t e r a s s e m b l y ４㊀仿生弹跳机器人仿真与实验本次虚拟样机仿真在A D AM S软件中进行,将机构模型进行简化,省去变形前的步骤,将扭转弹簧的弹力转换成地面对机构的反作用力,将整体的运作模式更改为MMK S模式,在整个环境中设置大小为９．８０６６５N/k g的Y轴负方向的重力加速度,并在底部建立一块平板作为地面,使弹跳机器人底端正好与平板接触.模型建立完成之后,再对模型各个部分的材料进行定义,全部设置完成后,整体的模型质量为８０g左右.在模型中添加运动副和驱动之后,得到的跳跃轨迹如图７所示.再通过实验来验证仿生弹跳机构的跳跃能力.为了测试跳跃机构的跳跃能力,对其进行了１５次跳跃测试.采用每秒１２０帧的高速摄像机进行拍摄,目的是为了检测跳跃的轨迹路线,拍摄的连续轨迹如图８所示.每一次跳跃大约产生６０(a)纵向位移(b)横向位移图７㊀跳跃轨迹模拟图F i g．７㊀J u m p t r a j e c t o r y s i m u l a t i o nd i a g r a m图８㊀跳跃轨迹图F i g．８㊀J u m p t r a j e c t o r y d i a g r a m个左右的快照,允许对每一个跳跃轨迹进行描绘,通过软件T r a c k e r进行轨迹的绘制,１５次跳跃结果的数据如表５所示.表５㊀跳跃实验数据T a b．５㊀J u m p i n g e x p e r i m e n t d a t a编号高度(m)长度(m)１１．３６１．０２２１．３４０．９５３１．２８０．９０４１．０００．８８５１．２２０．９６６１．２５０．８２７１．１６０．９１８１．２３１．０２９１．３４１．０６１０１．２６１．０３１１１．１８０．９７１２１．３０１．００１３１．４３１．１３１４１．０１１．０５１５１．１９１．１０平均１．２３１．０１０５９２中国机械工程第３４卷第２４期２０２３年１２月下半月５㊀结语对蝗虫后腿中的胫骨与股骨的运动机理进行分析,确定了本文设计的弹跳机器人的弹跳方案.建立了仿蝗虫弹跳机器人的三维模型,并通过３D 打印技术进行了零部件的制作及组装.通过样机仿真和实验验证了机构设计的合理性,经测试,机构具有良好的弹跳性能,其跳跃长度约１００c m,而跳跃高度可达１２０c m,约为自身身长的１５倍,具有一定的仿生意义.参考文献:[１]㊀E R O G L U A K,E R D E N Z,E R D E N A．B i o l o g i c a l S y s t e m A n a l y s i si n B i o i n s p i r e d C o n c e p t u a lD e s i g n(B I C D)f o r B i o i n s p i r e dR o b o t s[J]．C o n t r o l E n g i n e e r i n ga n dA p p l i e d I n f o r m a t i c s,２０２２,１３(２):８１Ｇ８６．[２]㊀C O R A L W,R O S S I C,C U R E T M O,e t a l．D e s i g na n dA s s e s s m e n to f aF l e x ib l eF i s h R o b o tAc t u a t e db y S h a p eM e m o r y A l l o y s[J]．B i o i n s p i r a t i o n&B i o m i m eＧt i c s,２０１８,１３(５):０５６００９．[３]㊀Z HA N GJ,Y A N G X,S O N G G,e t a l．S t r u c t u r a lＧp a r a m e t e rＧb a s e d J u m p i n gＧh e i g h tＧa n dＧd i s t a n c e A dＧj u s t m e n ta n d O b s t a c l e S e n s i n g o fa B i oＧi n s p i r e dJ u m p i n g R o b o t[J]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f A dＧv a n c e dR o b o t i cS y s t e m s,２０１５,１２:６０５７９．[４]㊀李保江．跳跃式机器人机构设计与动力学分析[D]．南京:南京航空航天大学,２００６．L I B a o j i a n g．M e c h a n i s m D e s i g na n dD y n a m i cA n a l y s i so f J u m p i n g R o b o t[D]．N a n j i n g:N a n j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s,２００６．[５]㊀HA L D A N ED W,P L E C N I K M,Y I MJK,e t a l．A P o w e r M o d u l a t i n g L e g M e c h a n i s m f o r M o n o p e d a lH o p p i n g[C]ʊI E E E/R S JI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n I n t e l l i g e n t R o b o t s a n dS y s t e m s(I R O S)．D a e j e o n:I E E E,２０１６:１６５０３８１３．[６]㊀HA L D A N E D W,P L E C N I K M M,Y I M JK,e ta l．R ob o t i cV e r t ic a l J u m p i n g A g i l i t y v i aS e r i e sＧe l a s t i cP o w e r M o d u l a t i o n[J]．S c i e n c e R o b o t i c s,２０１６,１(１):e a a g２０４８．[７]㊀H U A N G H,H E W,W A N G J,e t a l．A nA l l S e r v oＧd r i ve nB i r dＧl i k eF l a p p i n gＧw i n g A e r i a lA u t o n o m o u sF l i g h t[J]．I E E E/A S M E T r a n s a c t i o n so n M e c h aＧt r o n i c s,２０２２,２７(６):５４８４Ｇ５４９４．[８]㊀王猛．仿青蛙跳跃机器人的研制[D]．哈尔滨:哈尔滨工业大学,２００９．WA N G M e n g．T h e D e v e l o p m e n t o f a F r o gＧl i k eJ u m p i n g R o b o t[D]．H a r b i n:H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,２００９．[９]㊀B A E KS M,Y I M S,C HA ES H,e t a l．L a d y b i r dB e e t l eＧi n s p i r e dC o m p l i a n tO r i g a m i[J]．S c i e n c eR oＧb o t ic s,２０２０,５(４１):e a a z６２６２．[１０]㊀K U R N I AWA N R,F U K U D OM E T,Q I U H,e ta l．A n U n t e t h e r e d２１６Ｇm g I n s e c tＧs i z e d J u m p i n gR o b o tw i t h W i r e l e s sP o w e rT r a n s m i s s i o n[C]ʊI n t e rＧn a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t R o b o t s a n d S y s t e m s(I R O S)．L a sV e g a s:I E E E,２０２０:７８８１Ｇ７８８６．[１１]㊀T A N G W,Z HA N G C,Z HO N G Y,e ta l．C u sＧt o m i z i n g aS e l fＧh e a l i n g S o f tP u m p f o rR o b o t[J]．N a t u r eC o mm u n i c a t i o n s,２０２１,１２:２２４７．[１２]㊀K L E MM V,MO R R A A,S A L Z MA N N C,e t a l．A s c e n t o:aT w oＧw h e e l e d J u m p i n g R o b o t[C]ʊI nＧt e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n R o b o t i c sa n d A u t o m aＧt i o n(I C R A)．M o n t r e a l:I E E E,２０１９:１８９０３８６５．[１３]㊀B A E KS M,Y I M S,C HA ES H,e t a l．L a d y b i r dB e e t l eＧi n s p i r e dC o m p l i a n tO r i g a m i[J]．S c i e n c eR oＧb o t ic s,２０２０,５(４１):e a a z６２６２．[１４]㊀M I L N EN,G R A N A T O S K Y M C．U l n aC u r v a t u r ei nA r b o r e a l a n dT e r r e s t r i a l P r i m a t e s[J]．J o u r n a l o fM a mm a l i a nE v o l u t i o n,２０２１,２８(３):８９７Ｇ９０９．[１５]㊀C H E N G,T UJ J,T IXC,e t a l．AS i n g l eＧl e g g e d R o b o t I n s p i r e d b y t h e J u m p i n g M e c h a n i s mo f C l i c kB e e t l e sa n dI t s H o p p i n g D y n a m i c s A n a l y s i s[J]．J o u r n a l o fB i o n i cE n g i n e e r i n g,２０２０,１７(６):１Ｇ１７．[１６]㊀卢松明,郭策,戴振东．仿蝗虫脚掌的机器人脚结构设计及其优化[J]．科学通报,２０１２,５７(２６):２４６３Ｇ２４６８．L U S o n g m i n g,G U O C e,D A IZ h e n d o n g．S t r u cＧt u r a l D e s i g n a n dO p t i m i z a t i o n o f aR o b o t F o o t I m iＧt a t i n g aL o c u s tF o o t[J]．S c i e n c eB u l l e t i n,２０１２,５７(２６):２４６３Ｇ２４６８．[１７]㊀WO O DWA R D M A,S I T T I M．M u l t i M oＧB a t:aB i o l o g i c a l l y I n s p i r e d I n t e g r a t e d J u m p i n gＧg l i d i n gR o b o t[J]．T h eI n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f R o b o t i c sR e s e a r c h,２０１４,３３(１２):１５１１Ｇ１５２９．[１８]㊀王欣．仿蝗虫弹跳机器人的设计及动态性能分析[D]．武汉:武汉科技大学,２０１９．WA N G X i n．D e s i g n a n d D y n a m i c P e r f o r m a n c eA n a l y s i so fL o c u s tB o u n c i n g R o b o t[D]．W u h a n:W u h a nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,２０１９．[１９]㊀W E ID,G A O T,L I Z,e t a l．H y b r i d I n s p i r e dR eＧs e a r c ho nt h eF l y i n gＧj u m p i n g L o c o m o t i o no fL oＧc u s t s U s i n g R o b o tC o u n t e r p a r t[J]．F r o n t i e r si nN e u r o r o b o t i c s,２０１９,１３:８７．[２０]㊀蔡自兴,谢斌．机器人学[M]．北京:清华大学出版社,２０２２:２６Ｇ１２５．C A I Z i x i n g,X I EB i n．R o b o t i c s[M]．B e i j i n g:T s i n gＧh u aU n i v e r s i t y P r e s s,２０２２:２６Ｇ１２５．(编辑㊀王艳丽)作者简介:王铠迪,男,１９９８年生,硕士研究生.研究方向为仿生机器人.陈岁繁(通信作者),男,博士㊁副教授.研究方向为智能制造与机械结构创新设计.EＧm a i l:c h e n s u i f a n８１２１＠１６３．c o m.１５９２一种仿蝗虫弹跳机器人的设计与制作 王铠迪㊀陈岁繁㊀唐㊀威等。

仿青蛙跳跃机器人的结构优化与运动综合一、本文概述随着科技的快速发展，机器人技术已经成为当今研究的热点之一。

其中，仿青蛙跳跃机器人作为一种具有高效能量利用和出色越障能力的机器人类型，受到了广泛关注。

本文旨在探讨仿青蛙跳跃机器人的结构优化和运动综合问题，以期为未来机器人的设计和性能提升提供理论支持和实际应用指导。

本文将对仿青蛙跳跃机器人的研究背景和意义进行阐述，明确其在机器人技术领域的重要地位。

接着，我们将回顾和分析国内外在该领域的研究现状和发展趋势，指出当前存在的问题和挑战。

然后，本文将重点研究仿青蛙跳跃机器人的结构优化问题。

通过深入剖析青蛙的生物结构和运动机理，我们将探索如何将这些自然特性融入机器人设计中，以提高其跳跃性能和稳定性。

我们将关注机器人的结构参数优化、材料选择以及动力传递机制等方面，提出创新性的优化方案。

本文还将对仿青蛙跳跃机器人的运动综合进行研究。

我们将通过理论分析和实验验证，探索机器人在不同环境下的跳跃策略和运动规划，以实现高效、稳定的跳跃运动。

我们将关注机器人的感知、决策和执行等环节，以实现运动综合的最优化。

本文将对所提出的结构优化和运动综合方案进行总结和展望，评估其在实际应用中的潜力和价值。

我们希望通过本文的研究，能够为仿青蛙跳跃机器人的进一步发展和应用提供有益的参考和启示。

二、仿青蛙跳跃机器人结构设计在仿青蛙跳跃机器人的设计中，结构设计是至关重要的一环。

考虑到青蛙的跳跃机制，我们设计了一种具有弹性驱动和自适应落地机制的机器人结构。

主体结构设计：机器人的主体结构参考了青蛙的身体结构，包括头部、躯干和四肢。

头部集成了传感器和控制系统，用于感知环境和控制机器人的运动。

躯干部分则负责连接头部和四肢，以及存储能量。

弹性驱动机构：为了模拟青蛙的跳跃动作，我们在机器人的四肢上设计了弹性驱动机构。

这些机构由弹簧和驱动器组成，当驱动器收缩时，弹簧被压缩并储存能量，当驱动器放松时，弹簧释放能量，推动机器人跳跃。