弹跳机器人设计

弹 跳 机 器 人第 1 页目 录前言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3 )绪论第一 章 弹跳 机器人 发展概 况1 . 1 弹跳 机构研 究背景 和意义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 4 ）1 . 2 弹跳 机构研 究现状 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 5 ）1 . 3 弹跳 机器人 分类 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 6 ）1 . 3 . 1 按研 究方法 分 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 6 ）1 . 3 . 2 按运 动方式 分 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 6 ）1 . 3 . 3 按构 建方法 分 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 6 ）1 . 4 弹跳 机器人 关键技 术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 6 ）1 . 5 主要 内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 7 ）第二 章 弹跳 机构的 实现2 . 1 垂直 起跳模 型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 9 ）2 . 2 倾斜 起跳模 型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 1 1 ）2 . 3 单杆 弹簧弹 跳机构 及六杆 弹跳机 构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 1 1 ）2 . 4 气压 爆发弹 跳 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 1 3 ）2 . 5 离心 力激励 型 ( 1 3 )2 . 6 弹跳 机构性 能评价 . ( 1 3 )第三 章 垂直 弹跳模 型本体 设计弹 跳 机 器 人第 2 页3 . 1 设计 思路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 1 4 ）3 . 2 材料 选择及 总重 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 1 4 ）3 . 3 凸轮 机构的 设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 1 5 ）3 . 3 . 1 凸轮 机构总 体设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 1 5 ）3 . 3 2 运动 规律设 计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . （ 1 6 ）3 . 3 . 3 具体 参数计 算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 6 )3 . 4 弹簧 的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 9 )3 . 5 电机 的选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 0 )3 . 6 涡轮 蜗杆机 构的参 数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 2 )3 . 7 轴 、 键 、 轴承 、 滚轮 、 机架 的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 5 ) 7 . 1 涡轮 轴的设 计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 5 )3 . 7 . 2 轴的 强度计 算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 6 )3 . 7 . 3 键的 设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 6 )3 . 7 . 4 轴 承 的 选 择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 7 )3 . 7 . 5 滚轮 的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 9 )3 . 7 . 6 机架 的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 9 )第四 章 结论致谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 9 )参考 文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 3 0 )弹 跳 机 器 人第 3 页前 言移 动 机 器 人 当 前 应 用 日 益 广 泛 ， 而 其 面 临 的 环 境 也 更 加 恶 劣 ， 诸 如 考 古探 测 、 星 际 探 索 、 军 事 侦 察 以 及 反 恐 活 动 等 领 域 中 都 期 望 机 器 人 代 替 人 发 挥 作用 。 这 些 场 合 地 势 复 杂 ， 存 在 各 种 障 碍 物 ， 要 求 机 器 人 具 有 很 强 的 自 主 运 动 能力 。 当 前 机 器 人 的 主 要 运 动 方 式 ， 如 多 轮 驱 动 以 及 仿 生 爬 行 或 步 行 方 式 在 有 障碍 环 境 下 满 足 不 了 实 际 需 要 ， 而 弹 跳 机 构 动 作 控 制 简 单 ， 可 以 越 过 数 倍 甚 至 数十 倍 与 自 身 尺 寸 的 障 碍 物 ， 适 合 于 多 障 碍 物 的 环 境 。 另 外 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 38% ， 月 球 17% ） ， 弹 跳 运 动 可 以充 分 利 用 这 一 点 ， 完 成 高 效 的 运 动 。1969 年 美 国 提 出 研 制 弹 跳 机 构 以 用 于 月 球 探 索 。 最 近 美 国 国 家 航 空 宇 航局 喷 气 动 力 实 验 室 （ 与 加 利 福 尼 亚 技 术 学 院 联 合 研 制 蛙 形 弹 跳 机 用 于 替代 传 统 星 际 漫 游 车 ， 扩 大 机 器 人 在 行 星 表 面 崎 岖 地 貌 环 境 下 的 活 动 范 围 。 机 器蛙 最 大 跳 跃 高 度 1.8 m ， 预 计 在 火 星 上 可 达 5m 6m。 美 国 太 空 总 署 已 计 划 在 下一 次 火 星 探 索 中 使 用 这 种 弹 跳 机 构 。 此 外 圣 地 亚 国 家 实 验 室 、 明 尼 苏 达 大 学 、麻 省 理 工 学 院 等 也 分 别 试 制 出 各 种 弹 跳 机 器 人 。 这 些 机 器 人 一 般 用 弹 性 体 推动 ， 而 不 是 仿 哺 乳 动 物 或 昆 虫 的 多 足 形 式 。弹 跳 机 器 人 具 有 深 远 的 意 义 ， 但 其 研 制 难 度 不 言 而 喻 。 完 成 这 种 任 务 对 我来 说 相 当 具 有 挑 战 性 ， 加 之 时 间 有 限 ， 还 有 相 当 多 的 不 足 之 处 ， 还 请 多 包 涵 ，并 希 望 还 有 人 来 继 续 和 深 化 这 个 任 务 。 这 个 课 题 总 体 包 括 弹 跳 机 构 的 构 思 、 建模 、 动 力 学 分 析 、 控 制 等 ， 而 且 资 料 极 少 ， 几 乎 是 从 头 开 始 ， 其 中 我 主 要 负 责构 思 、 e 建 模 及 e 机 构 仿 真 ， K 机 电 052 的 袁 宽 宇 同 学 主 要 负 责 学 分 析 部 分 ， 并 且 将 来 预 定 以 其 中 的 模 型 做 出 实 物 ， 更 实 际 的 验 证 这 个 模型 的 可 靠 性 。 为 了 适 应 不 同 的 情 况 ， 我 做 出 了 两 种 具 有 代 表 性 的 不 同 机 构 模 型 ，分 别 采 用 垂 直 起 跳 和 倾 斜 起 跳 ， 后 文 中 会 有 论 述 。弹 跳 机 器 人第 4 页第 一 章 弹 跳 机 器 人 发 展 概 况1 . 1 弹 跳 机 构 研 究 背 景 和 意 义机 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 和 复 杂 ， 诸如 军 事 侦 察 、 考 古 、 月 球 探 测 、 地 质 勘 探 等 任 务 中 ， 地 形 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 ，移 动 性 能 是 未 来 机 器 人 在 很 多 应 用 场 合 的 关 键 能 力 。目 前 机 器 人 主 要 有 两 种 运 动 方 式 ， 一 种 为 轮 式 或 履 带 式 驱 动 ， 这 是 大 多 数移 动 机 器 人 的 驱 动 方 式 ， 小 到 各 种 各 样 的 遥 控 玩 具 机 器 小 车 或 自 主 运 动 的 机 器小 车 ， 大 到 战 场 上 的 无 人 战 车 或 星 际 探 索 中 的 外 星 表 面 探 测 器 等 ； 另 一 种 是 仿生 德 尔 爬 行 或 步 行 方 式 ， 如 蛇 形 机 器 人 、 机 器 猫 、 机 器 狗 及 各 种 各 样 的 机 器 昆虫 ， 这 些 机 构 一 般 为 某 种 特 定 的 应 用 而 设 计 。 轮 式 及 履 带 式 机 器 人 只 能 在 平 坦地 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 翻越 障 碍 物 的 能 力 稍 强 ， 但 其 自 由 度 多 ， 大 量 的 关 节 驱 动 器 使 得 控 制 复 杂 ， 运 动缓 慢 ， 且 当 障 碍 物 大 于 自 身 尺 寸 时 也 很 难 顺 利 翻 越 。迄 今 为 止 最 成 功 的 自 治 探 测 机 器 人 是 在 19 98 年 美 国 送 上 火 星 的 “ 旅 行 者号 ” 。 它 可 以 翻 过 1. 5 倍 轮 子 直 径 的 障 碍 物 ， 采 用 10 个 驱 动 马 达 ， 连 接 复 杂 ，最 终 所 能 翻 越 的 障 碍 物 尺 寸 上 始 终 受 制 于 机 构 本 身 尺 寸 。为 了 提 高 机 器 人 的 活 动 能 力 ， 科 学 家 们 尝 试 研 制 具 有 弹 跳 能 力 的 机 器 人 。具 体 来 说 ， 弹 跳 机 器 人 在 以 下 方 面 由 其 优 势 ：1 ） 通 过 弹 跳 运 动 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 。 在 考 古 、 反 恐 、 地 质 勘 探 等领 域 有 着 广 阔 的 应 用 前 景 。2 ） 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38% ， 月 球 17% ） ， 弹 跳 运 动 可 以 充 分 利 用 这 一 点 ， 完 成 高 效 的 运 动 。 1969 年 美国 人 研 制 弹 跳 机 构 用 于 月 球 探 索 ， 根 据 当 时 “ 阿 波 罗 ” 号 飞 船 登 月 时 的 数 据 以弹 跳 机 器 人第 5 页及 后 期 试 验 与 计 算 ， 列 出 在 月 球 上 三 种 运 动 方 式 性 能 的 比 较 （ 表 1 ， 可 以看 出 弹 跳 在 星 际 探 索 中 是 一 种 比 较 理 想 的 方 式 。表 1- 1 月 球 上 三 种 运 动 方 式 的 比 较运 动 方 式 运 动 距 离（ 重 量 （ 有 效 载 荷（ 持 续 性弹 跳 式 30 45 0 7 3 式 7 20 5 7 13 1 料漫 游 小 车 17 17 5 0 更 大 数 小 时3 ） 通 常 爬 行 机 器 人 通 过 实 际 障 碍 物 需 要 三 维 平 面 的 大 量 信 息 ， 避 障 算 法非 常 复 杂 ， 在 某 些 情 况 下 ， 弹 跳 运 动 越 障 只 需 要 二 维 信 息 ， 控 制 简 单 。1 . 2 弹 跳 机 构 研 究 现 状最 早 的 弹 跳 机 器 人 为 t 于 198 0 年 在 麻 省 理 工 学 院 机 器 人 实 验 室 研制 的 弹 跳 机 （ 图 1 ， 从 那 时 起 更 多 的 人 开 始 关 注 弹 跳 机 器 人 的 研 究 。目 前 弹 跳 机 构 的 理 论 分 析 多 继 承 了t 的 气 体 推 动 模 型 ， 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 。 但 模 型 中 许 多 假 象 条 件并 不 成 立 ， 并 且 模 型 是 以 自 治 的 连 续 弹 跳运 动 为 分 析 对 象 ， 但 实 验 室 中的 弹 跳 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 弹 跳 机器 人 。 目 前 弹 跳 机 器 人 比 较 成 功 的 例 子 有 ： 图 1 足 弹 跳 机 模 型美 国 国 家 航 空 局 （ ） 下 述 的 喷 气 动 力 实 验 室 （ 与 加 利 福 尼 亚 技 术 学院 联 合 研 制 了 系 列 弹 跳 机 ， 用 于 扩 大 星 际 探 索 中 漫 游 车 的 活 动 范 围 。 其 中 一 种蛙 形 弹 跳 机 重 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 ， 在 火 星 上 预 计 可 达 5 弹 跳 机 器 人第 6 页6 米 。美 国 明 尼 苏 达 大 学 2000 年 研 制 出 一 种 弹 跳 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 有 两 个 独 立 的 轮 子 帮 助 机 器 人 在 需 要 的 时 候 滚 动 一 定 得 未 知 。这 种 机 器 人 主 要 面 向 室 内 环 境 ， 双 轮 结 构 以 及 降 低 重 心 使 其 非 常 适 合 在 光 滑 底板 上 运 动 。1 . 3 弹 跳 机 器 人 分 类1 . 研 究 方 法 分弹 跳 机 构 按 研 究 方 式 有 两 大 类 ： 一 是 仿 生 机 构 ， 模 拟 动 物 的 运 动 机 理 ，如 机 械 蟋 蟀 ， 机 械 猫 等 ， 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 ； 另 一 类 是 利 用 简 单 机 构 产 生 弹 力 （ 如 弹 簧 力 ， 离 心 力 等 ） ， 这 种 方法 机 构 自 由 度 少 ， 动 力 学 模 型 简 单 ， 实 现 起 来 相 对 容 易 。 运 动 方 式 分弹 跳 机 构 可 分 为 ： （ 1 ） 连 续 弹 跳 ， 即 足 部 接 触 地 面 后 在 很 短 时 间 内 再 次弹 跳 ， 足 部 与 地 面 接 触 时 间 很 短 ， 机 构 弹 跳 能 量 补 充 与 姿 态 调 整 动 态 完 成 ， 袋鼠 就 是 这 种 跳 跃 方 式 ； （ 2 ） 间 歇 性 弹 跳 ， 弹 跳 运 动 之 间 有 明 显 的 时 间 间 隔 ， 用于 调 整 与 补 充 能 量 ， 如 跳 蚤 的 运 动 。 这 种 方 式 不 需 要 像 连 续 弹 跳 那 样 每 时 每 刻都 保 持 对 机 构 位 姿 的 控 制 ， 可 以 当 机 构 落 地 后 再 进 行 调 整 ， 简 化 了 控 制 过 程 。 构 建 方 法 分可 分 为 三 种 ： （ 1 ） 仿 生 机 构 ; （ 2 ） 简 单 弹 力 机 构 ; ( 3) 特 殊 能 源 方 式 ， 如 气体 爆 炸 产 生 爆 炸 力 实 现 弹 跳 。1 . 4 弹 跳 机 器 人 关 键 技 术日 本 科 学 家 提 出 了 对 理 想 弹 跳 机 构 的 4 个 要 求 ：（ 1 ） 尽 量 提 高 弹 跳 性 能 ， 使 机 构 跳 得 更 高 更 远 ；（ 2 ） 能 够 调 整 弹 跳 方 向 与 角 度 ；弹 跳 机 器 人第 7 页（ 3 ） 能 够 控 制 弹 跳 机 构 空 中 的 姿 势 ；（ 4 ） 控 制 机 构 平 稳 落 地 。要 实 现 这 些 要 求 必 须 使 弹 跳 机 器 人 结 构 简 化 ， 实 际 上 是 用 简 单 的 弹 跳 运动 代 替 复 杂 的 智 能 识 别 与 控 制 。 图 1- 2 给 出 了 最 大 弹 跳 尺 寸 与 机 器 人 智 能 的 关系 。弹 跳 机 器 人 关 键 技 术 主 要 包 括 三 点 ：（ 1 ） 感 知 外 界 环 境 ， 生 成 弹 跳 参 数 ， 由 机 器 人 自 身 的 控 制 系 统 控 制 机 构完 成 特 定 弹 跳 动 作 ， 并 且 要 将 上 次 误 差 计 算 在 内 ， 以 确 保 机 构 能 够 最 终 达 到 目标 位 置 ；（ 2 ） 用 紧 凑 、 轻 质 的 机 构 与 能 源 实 现 能 量 的 瞬 间 大 量 释 放 ， 弹 跳 运 动 需要 在 瞬 间 释 放 大 量 能 量 转 化 为 动 能 ， 因 此 需 要 提 高 能 源 功 率 与 减 轻 系 统 重 量 ，并 能 够 重 复 积 累 与 释 放 ；（ 3 ） 由 于 弹 跳 机 器 人 工 作 环 境 恶 劣 ， 需 要 解 决 弹 跳 的 稳 定 性 及 自 恢 复 等问 题 。图 1- 2 最 大 弹 跳 尺 寸 与 机 器 人 智 能 的 关 系 示 意 图1 . 5 主 要 内 容本 文 主 要 论 述 了 我 所 做 的 两 个 弹 跳 机 构 模 型 ， 轮 式 垂 直 弹 跳 机 器 人 及 四足 倾 斜 弹 跳 机 器 人 ， 它 们 各 有 不 同 的 优 缺 点 ， 改 进 之 后 适 用 于 不 同 的 环 境 。 轮式 垂 直 弹 跳 机 器 人 通 过 电 机 带 动 轮 子 前 进 ， 移 动 速 度 快 ， 但 跳 过 障 碍 物 时 必 须要 有 一 定 的 前 进 速 度 ， 适 合 地 面 较 平 整 的 地 形 。 四 足 倾 斜 弹 跳 机 器 人 体 积 小 ，弹 跳 机 器 人第 8 页重 量 轻 ， 跳 跃 距 离 可 以 达 到 身 长 的 数 倍 ， 并 且 考 虑 了 遥 控 装 置 ， 但 空 中 姿 态 难以 控 制 ， 曾 经 考 虑 过 加 装 机 翼 来 增 加 稳 定 性 及 转 向 ， 但 实 际 难 度 太 高 ， 远 远 超过 了 我 的 能 力 范 围 ， 这 里 就 不 多 赘 述 了 ， 这 个 机 器 人 适 合 于 不 规 则 的 地 形 。 如果 将 来 还 有 人 继 续 这 个 课 题 的 话 ， 我 想 这 两 个 模 型 可 以 在 如 下 方 面 进 行 改 进 ：轮 式 垂 直 起 跳 机 器 人 可 以 进 一 步 缩 小 体 积 ， 减 轻 重 量 ， 减 去 冗 余 的 部 件 ， 以 提高 总 体 效 率 。 轮 子 的 轴 可 以 改 成 半 轴 ， 用 差 速 器 或 单 片 机 控 制 进 行 转 向 ， 加 装缓 冲 机 构 等 ， 可 以 考 虑 用 舵 机 和 遥 控 器 配 合 进 行 控 制 来 满 足 更 多 要 求 。 四 组 倾斜 弹 跳 机 器 人 可 以 在 符 合 成 本 的 前 提 下 ， 使 用 更 好 的 配 件 ， 加 装 滚 动 轴 承 减 小摩 擦 ， 一 些 航 模 模 型 用 的 配 件 无 论 从 成 本 还 是 重 量 方 面 都 是 非 常 合 适 的 ， 如 扭矩 不 足 可 以 加 装 铝 合 金 变 速 齿 轮 组 或 选 用 电 机 减 速 器 一 体 化 的 产 品 ， 用 陀 螺 仪及 混 控 进 一 步 提 高 空 中 的 稳 定 性 ， 设 计 可 变 形 的 机 翼 实 现 姿 态 控 制 及 转 向 等 ，闫 老 师 最 后 还 提 出 可 以 将 凸 轮 与 涡 轮 合 成 一 体 ， 我 认 为 这 样 也 是 一 种 很 好 的 想法 。弹 跳 机 器 人第 9 页第 二 章 弹 跳 机 构 的 实 现下 面 论 述 我 的 两 种 弹 跳 机 构 实 现 弹 跳 的 大 致 方 式 。2 . 1 垂 直 起 跳 模 型该 模 型 （ 图 2- 1 ） 的 运 动 过 程 可 分 为 机 构 压 缩 弹 簧 、 起 跳 、 下 落 三 个 阶 段 。图 2- 1 垂 直 弹 跳 模 型图 2- 3 倾 斜 弹 跳 模 型弹 跳 机 器 人第 10页机 构 压 缩 弹 簧 压 缩 阶 段 ： 电 机 带 动 蜗 杆 ， 蜗 杆 带 动 左 右 两 个 蜗 轮 ， 蜗 轮与 蜗 轮 轴 上 的 盘 形 凸 轮 同 轴 转 动 ， 顺 时 针 转 动 的 凸 轮 与 可 动 腿 上 的 滚 子 在 弹 簧力 的 作 用 下 始 终 保 持 接 触 。 滚 子 的 运 动 为 等 加 速 等 减 速 规 律 ， 通 过 可 动 的 腿 拉伸 弹 簧 ， 在 位 移 最 大 处 突 然 释 放 ， 弹 簧 收 缩 ， 腿 向 中 间 摆 动 ， 使 机 构 向 上 跳 起 。最 终 弹 跳 高 度 由 离 地 瞬 间 速 度 与 质 心 高 度 来 决 定 。 大 致 弹 跳 高 度 可 以 由 能 量 平衡 估 算 ， 起 跳 瞬 间 机 构 重 心 高 度 为 上 升 的 最 高 点 机 构 重 心 高 度 为 机构 质 量 m ， 重 力 加 速 度 g ， 弹 簧 刚 度 为 k ， 变 形 量 为 x ， 效 率 为 ，)(21 122 gk = ， 可 见 这 个 机 构 将 储 存 的 弹 性 势 能 转 化 为 动 能 再 变 成 重力 势 能 ， 从 而 实 现 弹 跳 。 经 统 计 ， 机 构 重 量 为 69 2 61 g（ 第 三 章 有 详 细 过 程 ） ，为 简 化 计 算 ， 记 为 0. 7 假 设 弹 跳 高 度 为 10 c m ， 效 率 估 为 50 % ， 弹 簧 为 2根 ， 2 2k x 则 至 少 要 为 2. 74 4 J ， 机 构 固 定 后 x 也 固 定 ， 为 m m ， 可 算 出 弹 簧的 最 小 刚 度 k 为 25 3 5. 9 14 9 N / m ， 即 2. 5 4N/ m m 。弹 簧 最 大 拉 力 F s m a x = k x=5 9 04 N 。起 跳 瞬 间 的 腿 部 位 姿 如 图 2- 2 所 示 ，凸 轮 给 与 滚 子 的 力 F 在 这 一 瞬 间 为 0 ， 所以 不 做 考 虑 。 弹 簧 拉 伸 到 最 大 长 度 后 还 没有 来 得 及 收 缩 ， 弹 簧 拉 伸 长 度 x 乘 以刚 度 k ， N 为 地 面 给 与 机 构 的 支 持 力 。 根据 转 矩 平 衡 ， m a x = N 为75 . 57 8 3N。 所 以 该 机 构 对 起 跳 地 面 有 一 定的 要 求 ， 松 软 的 地 面 上 起 跳 高 度 会 降 低 。上 升 阶 段 比 较 简 单 ， 为 了 提 高 转 矩 ，所 以 电 机 转 速 很 慢 ， 空 中 凸 轮 转 过 的 角 度很 小 ， 所 以 不 影 响 第 二 次 弹跳 ， 且 间 歇 弹 跳 控 制 简 单 ， 在 实 现 上 有一 定 的 优 势 。 在 空 中 时 ， 腿 部 因 为 弹 簧 的阻 尼 运 动 会 以 小 角 度 摆 动 一 段 时 间 ， 影 响 不 大 。 图 2- 2 起 跳 瞬 间 腿 部 姿 态下 落 阶 段 会 有 冲 击 ， 如 有 必 要 ， 应 加 粗 重 要 支 撑 件 。 在 这 个 模 型 里 ， 橡 胶轮 胎 有 一 定 的 缓 冲 作 用 ， 更 复 杂 的 缓 冲 机 构 因 时 间 有 限 ， 这 里 不 予 考 虑 ， 汽 车的 悬 挂 系 统 我 认 为 可 以 借 鉴 。 因 为 下 落 时 的 冲 力 ， 腿 会 再 次 张 开 ， 拉 伸 弹 簧 ，弹 跳 机 器 人第 11页考 虑 到 能 量 损 失 ， 滚 子 不 可 能 再 次 到 达 突 变 的 位 置 ， 所 以 不 会 形 成 连 续 弹 跳 。2 . 2 倾 斜 起 跳 模 型该 模 型 （ 图 2- 3 ） 和 垂 直 起 跳 模 型 原 理 相 似 ， 只 是 将 外 凸 轮 变 成 内 凸 轮 ，由 腿 的 摆 动 拉 伸 弹 簧 变 成 以 拉 杆 压 缩 弹 簧 。 该 机 构 零 件 的 冗 余 要 少 些 ， 并 且 考虑 了 用 前 腿 进 行 缓 冲 。 因 为 最 终 可 能 要 做 成 实 物 ， 所 以 该 模 型 的 大 多 数 部 件 都参 考 了 市 面 上 能 买 得 到 的 实 物 ， 以 降 低 成 本 和 制 作 周 期 。 设 计 之 初 考 虑 了 2种 方 案 ， 第 一 种 直 流 无 刷 电 机 + 电 子 调 速 器 + 聚 合 物 锂 电 池 + 接 收 器 + 遥 控 器 ，该 方 案 可 以 进 行 遥 控 。 第 二 种 直 流 有 刷 电 机 + 聚 合 物 锂 电 池 ， 结 构 简 单 ， 但 不可 控 ， 两 种 方 案 具 体 配 置 会 在 第 4 章 论 述 。图 中 银 色 的 为 电 机 ， 黑 色 的 为 锂 电 池 ， 机 架 与 拉 杆 之 间 可 以 滑 动 ， 两 者 之间 有 一 压 缩 弹 簧 ， 拉 杆 一 端 接 触 地 面 ， 一 端 与 凸 轮 内 侧 接 触 ， 当 电 机 带 动 蜗 杆转 动 ， 带 动 蜗 轮 逆 时 针 方 向 旋 转 ， 凸 轮 与 蜗 轮 同 轴 转 动 ， 将 拉 杆 向 机 架 方 向 拉动 ， 压 缩 弹 簧 。 在 位 移 最 小 处 ， 凸 轮 直 径 突 然 变 大 ， 弹 簧 释 放 ， 相 当 于 一 个 蹬踏 的 动 作 ， 机 构 以 45 方 向 跳 跃 。 另 外 再 介 绍 几 种 其 他 的 实 现 方 式 。2 . 3 单 杆 弹 簧 弹 跳 机 构 及 六 杆 弹 跳 机 构单 杆 弹 跳 机 构 （ 图 2- 4 ） 中 ， m 1 经 驱 动 机 构 驱 动 下 压 ， 到 一 定 程 度 时 锁定 存 储 弹 性 势 能 ， 然 后 触 发 机 构 接 到 释 放 信 号 实 现 弹 跳 结 构 示 意 图 如 图 2- 5所 示 。弹 跳 机 器 人第 12页图 2 杆 弹 跳 机 构 图 2- 5 单 杆 弹 簧 弹 跳 机 构 的 结 构 示 意 图图 2- 6 六 杆 弹 跳 机 构 图 2 心 力 激 励 型 弹 跳 机 构这 是 单 杆 弹 簧 弹 跳 机 构 的 结 构 示 意 图 ， 这 一 方 案 的 缺 点 之 一 是 弹 簧 受 压 需夹 持 防 弯 ， 压 缩 长 度 非 常 有 限 。 六 杆 弹 跳 机 构 的 结 构 可 有 图 2 案 。丝杆弹 跳 机 器 人第 13页2 . 4 气 压 爆 发 弹 跳这 种 方 案 可 联 想 内 燃 机 的 功 能 ， 将 化 学 能 转 化 为 机 械 能 ， 只 是 空 气 要 从外 界 获 取 ， 不 是 独 立 的 装 置 。 当 然 ， 在 外 地 工 作 时 可 携 带 氧 气 ， 这 增 加 了 系 统重 量 。 这 种 机 构 涉 及 爆 炸 力 学 ， 这 里 不 作 讨 论 。2 . 5 离 心 力 激 励 型图 2- 7 为 钟 摆 形 弹 跳 试 验 机 构 的 最 基 本 模 型 ， 由 两 条 关 节 臂 与 一 伺 服 电 机构 成 ， 第 一 关 节 臂 作 为 机 构 本 体 部 分 被 设 计 成 倒 T 形 ， 与 地 面 接 触 面 积 大 ，这 样 不 论 转 动 关 节 怎 么 运 动 保 证 能 够 平 稳 支 撑 ， 第 二 关 节 末 端 装 有 质 量 小 球 ，可 看 做 手 臂 部 分 。 电 机 带 动 质 量 臂 旋 转 ， 机 构 与 地 面 作 用 弹 力 逐 渐 增 大 。 手 臂转 角 足 够 大 时 ， 在 离 心 力 的 作 用 下 ， 系 统 从 地 面 飞 起 。 在 空 中 腾 飞 阶 段 ， 要控 制 系 统 角 动 量 ， 地 面 粘 滞 力 与 摩 擦 力 都 是 影 响 因 素 。 这 种 弹 跳 机 构 在 软 着 陆方 面 有 优 势 。2 . 6 弹 跳 机 构 性 能 评 价对 于 间 歇 式 弹 跳 机 器 人 ， 每 次 弹 跳 消 耗 能 量 2012E ，0v 为 系 统 质 心 的 起 跳 速 度 。在 1. 4 部 分 内 容 中 已 有 叙 述 。 日 本 科 学 家 对 理 想 弹 跳 机 构 悟 出 的 要 求 有四 个 ：（ 1 ） 尽 量 提 高 机 构 弹 跳 性 能 ， 使 机 构 跳 得 更 高 更 远 。（ 2 ） 能 够 调 整 弹 跳 的 方 向 与 角 度 。（ 3 ） 能 够 控 制 弹 跳 机 构 空 中 的 姿 态 。（ 4 ） 控 制 机 构 平 稳 落 地 。要 求 1 可 以 通 过 改 进 机 进 及 减 轻 重 量 进 一 步 提 高 性 能 ， 要 求 2 目 前 只 能通 过 改 变 倾 斜 弹 跳 模 型 的 前 后 腿 长 度 手 工 调 整 ， 要 求 3 过 于 复 杂 ， 这 里 不 做 考虑 ， 要 求 4 可 以 在 不 增 加 过 多 重 量 的 前 提 下 ， 添 加 缓 冲 装 置 。 除 了 这 4 点 外 ，还 要 考 虑 实 际 ， 如 实 物 的 性 能 、 机 构 的 恢 复 能 力 、 加 工 难 易 、 成 本 因 素 等 。弹 跳 机 器 人第 14页第 三 章 垂 直 弹 跳 模 型 本 体 设 计设 计 初 期 一 些 数 据 因 为 条 件 未 知 ， 所 以 采 用 经 验 值 适 当 放 大 ， 待 模 型 完成 后 再 进 行 验 算 ， 这 里 以 最 终 模 型 为 依 据 进 行 计 算 。3 . 1 设 计 思 路一 个 机 构 的 弹 跳 ， 我 认 为 要 有 几 个 必 要 的 步 骤 ， 储 存 能 量 、 释 放 能 量 、 能量 的 转 换 、 再 次 进 行 存 储 。 能 量 的 存 储 最 简 单 的 方 法 就 是 弹 簧 ， 线 性 弹 簧 的 拉伸 或 压 缩 都 可 以 储 存 能 量 。 能 量 的 释 放 我 考 虑 用 弹 簧 变 形 量 的 变 化 来 实 现 ， 且为 了 能 够 多 次 实 现 ， 我 设 计 了 一 个 行 程 有 突 变 的 凸 轮 。 凸 轮 的 旋 转 运 动 需 要 一定 的 转 矩 且 转 速 不 能 太 快 ， 所 以 用 了 一 个 蜗 杆 蜗 轮 机 构 来 增 大 转 矩 和 降 低 转速 ， 最 终 模 型 的 pr o / E 图 可 以 参 照 第 二 章 图 . 2 材 料 选 择 及 总 重弹 跳 机 器 人 的 材 料 选 择 着 重 于 质 轻 、 强 度 高 、 耐 冲 击 。 所 以 我 在 一 些 不太 重 要 或 强 度 肯 定 够 的 零 件 上 使 用 较 轻 的 A B S 工 程 塑 料 ， 而 一 些 受 冲 击 较 大的 零 件 ， 如 蜗 轮 轴 、 圆 柱 销 则 使 用 了 45 钢 ， 并 进 行 了 热 处 理 ， 受 冲 击 及 较 重要 的 部 件 如 蜗 轮 和 凸 轮 选 用 了 耐 冲 击 、 耐 磨 的 尼 龙 66 树 脂 ， 如 有 必 要 可 换 为玻 纤 增 强 尼 龙 6 树 脂 ， 机 架 等 一 方 面 考 虑 强 度 和 重 量 ， 一 方 面 考 虑 加 工 简 单 ，大 多 数 采 用 铝 合 金 。 P r o/ E 中 ， 将 材 料 密 度 带 入 模 型 中 ， 即 可 求 得 各 个 部 件 的质 量 ， 且 非 常 精 确 。 这 里 给 出 部 分 材 料 相 对 密 度 ， 尼 龙 1. 0 4 、 工 业 橡 胶 1. 4 、铝 2. 7 、 碳 钢 7. 8 5 、 45 钢 A B S 1. 0 2 ， 求 出 的 各 部 分 质 量 及 材 料 如 下 表 （ 表3- 1 ） 。弹