论文总字数：27856字

摘 要

跳跃机器人因其基础性和较强的越障能力，成为了目前机器人领域研究的热点对象。其驱动方式，常见的有液压和气动、电机、人工肌肉等。本文的研究目标是设计一种单足跳机器人，使其可以自行完成首次起跳并能持续弹跳，并对其在跳跃机器人上的应用进行可行性分析。

在本次设计中，首先通过Solidworks对机器人的结构进行设计，然后进行实物的制作和实验平台的搭建，采用推拉式电磁铁作为执行器，运用反向力跳跃策略，通过电磁力驱动中间导杆，使整个机器人向上运动。最后在光电门传感器的辅助下，利用实物通过控制变量法进行实验。

推拉式电磁铁能在瞬间能够将其释放大量的能量转化为机械能，即有强大的爆发力，满足作为跳跃机器人执行器的基本条件。通过对实验数据的分析，得到在电磁铁推拉行程范围内，其跳跃高度随通电时间、输入电压的增加而增加的结论。该结论说明其具有可控的跳跃能力，可应用于跳跃机器人，为推拉式磁铁在二维和三维跳跃机器人上的应用提供依据。

关键词：单足机器人，跳跃，推拉式电磁铁

Abstract

Due to basic and complex motion of the hopping robot, it has become a hotspot in the field of robot research. The drving methods include hydraulic and pneumatic, electric motors, and artificial muscles. A one-legged hopping robot is designed, which can complete its first take-off and can continue to bounce on its own. The feasibility analysis on application has been done.

In this design, the structure of the robot was firstly designed through Solidworks, and then the production of the physical object and the construction of the experimental platform were performed, using a new type of actuator, a push-pull electromagnet, which uses an opposing force hopping strategy to drive the entire robot upwards by using electromagnetic force to drive the middle guide rod. Finally, with photoelectric door sensor, the experiment was conducted through the control variable method.

The push-pull electromagnet used in this design can instantaneously convert a large amount of its energy into mechanical energy, satisfying the basic conditions for a jump robot actuator.Through the analysis of experimental data, the relationship between robot's jump height, energization time, and input voltage was obtained. It is found that the jump height increases with the increase of the energization time and the input voltage, within the electromagnet push-pull stroke range. This conclusion shows that the push-pull electromagnet has a controlled jumping ability and can be applied to jumping robots, providing evidence support for further application of 2D and 3D hopping robot.

KEY WORDS: One-legged robot; hopping; push-pull electromagnet

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 论文的研究要求和内容 5

第二章 结构设计、跳跃过程分析与建模 6

2.1 结构设计 6

2.2 跳跃过程分析 8

2.2.1 腾空阶段 8

2.2.2 触地阶段 9

2.3 动力学仿真 11

2.3.1 2D单足跳机器人的结构 11

2.3.2 2D单足跳机器人的建模 12

2.4 本章小结 19

第三章 电路设计与控制 20

3.1 总体电路设计方案 20

3.2 中断程序设计 20

3.3 传感器 21

3.4 本章小结 25

第四章 实验与分析 26

4.1 跳跃高度与通电时间 26

4.2 跳跃高度与跳跃次数 27

4.3 跳跃高度与电压大小 27

4.4 效率分析 28

4.5 本章小结 29

第五章 结论 30

5.1 结论 30

5.2 发展前景 30

致谢 31

参考文献 32

附录 33

绪论

研究背景及意义

人工智能是目前的热门话题之一，而机器人在这之中扮演着主角。机器人历史悠久，自从六十年代问世以来，发展非常迅速。在去年，波士顿动力公司通过一段视频向人们展示了他们的最新研究成果。视频中，内置电源驱动的双足人形机器人Atlas在其实验室中完成跳跃、180°旋转以及令人叹为观止的后空翻等动作。在这之前，第一代Atlas显得十分笨重，外貌狰狞，还需要外接电源，并且它只能完成平衡性的动作。据最新消息，现在Atlas已经可以到户外实现奔跑和越障。波士顿动力位于世界足式机器人的发展前沿，从他们研究成果的更新速度可以看出机器人的发展之快。

从机器人Atlas的发展路程，可以看出，机器人总是要走出实验室，去适应更加复杂的作业场合。所以在这类机器人研究中，它的移动成为了科学家们研究的重点。轮式行走模式在地面运输中已被广泛应用多年，但它是人类改造自然出现路面的产物，不能很好地适应自然环境中的复杂地形。若需要一个物体的特点是环境适应能力，那么最应该参考的就是生物进化过程。因此，对于机器人的移动机构，地形适应能力强的腿部系统应运而生。

在自然界中，动物主要运动模式是爬行、步行和跳跃。在这其中，跳跃的优势非常明显。除了因为着地点的离散性大大优化它的环境适应能力以外，它还可以跨越超过自身大小的数倍甚至数十倍的障碍，而且机动性和爆发性非常强，有助于躲避危险和高效捕食。另外，得益于某些星球重力加速度要小于地球的重力加速度，跳跃模式的机器人可以利用这样的环境特点发挥自己的优势。因此，跳跃对于未构建环境或者复杂地形中的机器人来说是非常有效的运动模式，并且是移动执行器的基准平台，如果一个执行器可以为跳跃机器人提供动力，它就可以为行走机器人提供动力。当然，跳跃也有其难点所在：相比普通的位置控制系统，对跳跃机器人的设计和控制相对比较独特，包括弹跳物理模型的非线性性、系统自身的不稳定性以及它是一个欠驱动系统等，这为跳跃系统的控制带来不少挑战。

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