论文总字数：15430字

摘 要

论文完成的主要工作有：

1. 对现有具有跳跃功能的典型机构进行分析，提出了一种具有跳跃功能的移动机器人实现方案，即以六杆蓄能装置为起跳动力源，实现跳跃功能，以轮动实现基本的平地行走功能，以适应不同的路面环境。
2. 完成轮式移动机构、跳跃参数调节机构和倾覆翻转机构等的实现方案以及上述机构的运动学设计和机械结构设计。
3. 进行跳跃过程的力学分析。

关键词：跳跃机器人；跳跃机构；六杆蓄能机构；机器人设计；动力学分析

Realizing scheme and mechanical system design of mobile robot with hopping ability

Abstract：At present, the two major moving way of mobile robots are: multi-wheeled or tracked drive, bionic crawl or walk. But the common defects of these two types of mobile robots are: they can hardly overleap large obstacles or ditches. With the increasing of rotot application, environment the robots face is more nasty, such as archaeological detection, interstellar exploration, military reconnaissance and anti-terrorist activities. The robots are required to have strong ability to adapt terrain and move automatic in such environment. Comapred with the two motion mode of mobil robots, hopping robots can easily overleap obstacles or ditches in a considerable size, even several times of it. So it is more suitable for complex and unpredictable environment. This paper focuses on the implementation scheme of mobil robot with hopping ability and design its mechanical system. The main works in this paper are as follows.

1. Some typical mechanisms with jumping ability are analyzed. The realizing scheme and its mechanical system of a mobile robot with hopping ability are proposed. It is drived by the six-pole elastic hopping mechanism, and in the flat envionment, the robot moves with its wheels. This can extend its motion range.
2. The realizing schemes of wheeled mobile mechanisms, the hopping parameter adjusting mechanism and the overturning mechanism are put forward. The kinematic parameters and the structures of above mechanisms are designed.
3. The kinetic and dynamic characters of the hopping process are analyzed.

Key words: hopping robot; hopping mechanism; six-pole elastic hopping mechanism; robot design; dynamics analysis

目 录

1、 绪论 5

1.1课题背景及意义 5

1.2 可跳跃式机构的研究概况及发展趋势 6

1.2.1可跳跃机构的研究概况 6

1.2.2可跳跃机构的发展趋势 9

2、两种跳跃机构的设计及力学分析 10

2.1线性弹性腿的机构设计 10

2.2 线性弹性腿及六杆式蓄能腿的机构设计 11

2.3 线性弹性腿及六杆式蓄能腿的力学分析 11

2.4 设计存在的缺陷及可行的改进途径 18

3、可跳跃式移动机器人的机构设计及参数选择 19

3.1 总体结构 19

3.2 动作过程 19

3.3 关键机构设计 19

3.3.1 跳跃机构 19

3.3.2 起跳参数调节机构 20

3.3.3 倾覆翻转机构 21

3.4 关键参数选择 22

3.4.1蓄能弹簧 22

3.4.2 压缩锁定释放电机 26

4、 影响跳跃运动的因素分析 28

4.1影响跳跃高度的因素 28

4.1.1重力加速度 28

4.1.2质量 28

4.1.3机构的效率 28

4.1.4能量质量比 28

4.2 跳跃运动中能量损失的原因 28

4.2.1跳跃机构内部零件间摩擦 28

4.2.2触地时与地面的碰撞 29

4.2.3动力装置弹性能的释放非瞬时完成 29

4.2.4间歇性跳跃运动方式带来的能量损失 29

5、 总结与展望 31

5.1本文总结 31

5.2本文展望 31

致谢 33

可跳跃式移动机器人实现方案构建与机械系统设计

1、 绪论

1.1课题背景及意义

现在，很多领域都能够看到机器人的身影，它们在解放劳动力方面做出了卓越成就。在应用领域持续扩大的今天，机器人所面对的工作环境变得愈来愈复杂、严峻，比如，考古勘查、军事侦察等相关行业均离不开机器人的协助。在科学技术、电子技术、信息技术等一系列新型技术迅猛发展的今天，人们相继推出了功能各异的机器人，以期更好地满足应用需求^[1]。当前应用相对较为广泛的移动机器人大体上可分为两类：一类是多轮或者履带驱动式；另一类则是仿生爬行或者行走类。相对而言，跳跃机器人所具有的优势主要表现为下述几点：

(1)跳跃高度大

通过弹跳运动可以越过数倍于自身身高，如自然界中的跳蚤、青蛙、袋鼠等，都可以证明跳跃方式在越过高度上的优越性。

(2)使用范围广

在草原和沙漠中，由于表面柔软，摩擦力很小，车轮往往不能正常移动。在星际探索中，无论是月球还是火星，它们的重力加速度均比地球小很多，跳跃可充分利用此特性优势。1969年，美国科研学者经过不懈努力率先研发出了月球探测的跳跃机制^[3]，基于阿波罗飞船在月球上采集到的数据明确了三个运动性能(详情可参考表1.1)，通过此表可知，在探索浩瀚无垠的太空中，跳跃机器是一个较为明智的选择。

1.2 可跳跃式机构的研究概况及发展趋势

1.2.1可跳跃机构的研究概况

目前弹跳机器人在国内刚开始研究，国际上也只初见成果。

基于跳跃机构可将跳跃机器人细分为两种：一种是连续跳跃型，另一种则是间歇跳跃型。

对于间歇跳跃机器人来讲，在完成跳跃这一动作之后，需要占用一定的时间进行地面调整，而后在蓄势待发的开展下一次跳跃活动。其整个运动过程分为四个环节：一是跳、飞、落地，二是翻身，三是姿态调整，四是准备下一次跳跃。

对于连续跳跃机器人来讲，其跳跃动作呈现出较强的连续性，即在完成一次跳跃动作之后用非常少的时间和地面进行碰撞，在补足能力并调整好姿态之后即可进行后续跳跃活动。连续跳跃机器人的跳跃过程可分为跳跃、飞行和跳跃三个阶段。跳跃机器人下跳环的连续性可以用于环跳剩余能量，如果设计合理，可以回收身体潜在节能的下落，能量利用率更高。

1.2.2可跳跃机构的发展趋势

结合当前跳跃机器人，可以看出跳跃机器人有以下发展趋势:

(1)模仿自然界的生物机体结构和跳跃运动机制，设计仿生跳跃机制，通过坐标实现对机器人运作姿态的实时调整。

(2)一种新型的弹跳力(比如压电陶瓷等)、跳跃、微小型化跳跃机器人会成为未来一大发展趋势。

(3)通过改进和优化结构的方式弥补其短距离运动精度的缺点，并结合其他运动如轮式、履带或脚线进行跳跃。

2、两种跳跃机构的设计及力学分析

2.1线性弹性腿的机构设计

其储能机制是:以顺时针方向的弹性腿牵引螺杆旋转，压缩能量储存弹簧，跳腿也慢慢地进入机构体内，有利于降低能量损耗，一直持续到锁定机构锁定位置。电机逆时针旋转，螺杆反向旋转，组织扳机锁定机构，使锁定机构瞬间开启，能量储存弹簧推杆弹出，击中地面，使组织产生跳跃运动。弹簧壳体和导向机构防止了蓄能器弹簧的侧滑^[9]。

2.2 线性弹性腿及六杆式蓄能腿的机构设计

具体的运行流程在该章的力学分析和跳跃机构的设计中都有体现。

2.3 线性弹性腿及六杆式蓄能腿的力学分析

首先，建立了基于单杆弹簧机构的理想双质量弹簧系统模型(图2.4)。理想的模型分析模型由两个刚体块组成，其质量的大小主要取决于两个因素：一是弹性系数，二是弹簧的弹性系数，对重心的高度进行了明确，弹簧的原始长度、变形以及拉伸均为正，唯有压缩呈负。系统总质量，系统质心的高度为，假定

即存在

质心坐标 (2.1)

变换可得： （2.2）

在未离地地面约束起作用时，恒为质心离地面的距离，分析受力可得：

(2.3)

系统质心运动方程为 (2.4)

与（2.3）（2.4）联立消去, 得：

,整理简化得系统质心运动微分方程如下：

(2.5)

这里面,

可得 在离开地面之前，质心运动需达到此方程要求。

将式对重新进行微分处理，将质心速度以及加速度,视为新的变量，

由此获得一阶线性微分方程，即

(2.6)

图2.6模型运动过程中速度与加速度变化图

方程（2.6）在是在坐标轴平面上定义的轨迹的椭圆，如图2.6。

在图里面，曲线和直线的交点，"其支撑力是0，若中心速度分别用、进行表示，那么其方程是： (2.7)

曲线和轴的交点位置，，质心加速度中心、地面支撑力以及弹簧压缩变形皆取最大值,,,通过式得出：,将其代入式即能够得出

再将其代入式可得

点处因受到地面的支持，，系统势必会脱离地面。在脱离地面的过程中，点存在的条件是处,可利用公式替换可得，同时需要弹簧的最大压缩变形符合下述要求：

因此对于线性弹簧连接的双质量弹跳机构，公式是该类系统弹跳必须达到的要求。把,代入即能够明确系统离地条件：

把式代入即能够明确系统跳起所做功的条件：

(2.11)

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