（机械电子工程专业论文）轮式移动弹跳机器人研究.pdf

卜 “ r 。 ， n a 坷i i 培u m v e 璐i t ) ，o f a e r o n 砌c s 趾l da s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h 0 0 1 c o l l e g eo fm e c h a n i c a l 如de 1 e c t r i c a le n g i n e e r i i 培 l | | i | l i l l l l i i i l l l l l l 1 i l l | y 18 2 5 4 9 0 r e s e a r c h0 nw h e e l e d h o p p i n g r o b o t a1 h e s i si i l m e c l 诚c a le n g 妣e r i n g b y z h a n gk e t o n g a 捌s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rw 撕g h u a l 】血l g s u b m i t t e di np a 】m a lf u l f i l l l l l e n t f o rm ed e 辨eo f m a s t e ro f e n g i l l e e 血g j a l l ，2 0 l o l f 孽，oi 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：建煎盘 日 期：一 ，；，一 i ： 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 弹跳机器人可以越过尺寸远大于自身尺寸的障碍物，具有较强未知地形适应能力，在考古 探测、抢险救灾、军事侦察等领域具有广泛的应用前景。将轮式运动与弹跳运动相结合，弹跳 机器人可以根据地形需要选择合适的运动方式，提高能源利用率，扩大机器人活动范围。因此 轮式移动弹跳机器人具有十分重要的研究价值。 根据现有两种类型弹跳机构性能的比较，确定了弹跳机构的能源类型。在对内能驱动型弹 跳机构原理进行分析的基础上，运用三维参数化建模软件p r 0 甩完成了间歇式单动内燃机弹跳 机构的结构设计，并制造出物理样机。 根据弹跳机构的要求确定丙烷和笑气( n 2 0 ) 为燃料，对混合燃料气体的爆炸极限、爆温、 爆压等进行了分析计算，为间歇式单动内燃机弹跳机构的分析与试验提供依据。 运用有限元分析软件a n s y s 高级分析技术a p d l 开发了专用的分析程序，对间歇式单动 内燃机锁紧机构锁紧力与活塞位移关系及活塞在高压下的结构应力应变进行了有限元仿真分 析，为弹跳机构的设计提供依据。 以间歇式单动内燃机作为弹跳机构，对复合了轮式移动运动方式的弹跳机器人的原理和结 构进行了设计，制造出了轮式移动弹跳机器人物理样机。 对间歇式单动内燃机弹跳机构和轮式移动弹跳机器人进行了试验验证。对间歇式单动内燃 机弹跳机构的气密性、柱塞复位、锁紧机构最大锁紧力、热火头点火冷启动等进行了试验研究。 在此基础上，进行了机器人轮式移动试验与弹跳越障试验。试验结果表明：机器人具有弹跳与 轮式运动两种运动方式，弹跳运动可靠，弹跳高度可达1 5 m ，弹跳距离达1 5 m 。 关键字：轮式移动，弹跳机器人，弹跳机构，单动内燃机，p r 0 e ，a n s y s ，a p d l 轮式移动弹跳机器人研究 a b s t r a c t h 0 1 ) 】p i l l gr d b o tc a ng e ta c r o 稻m eb 删e rw h o s es i z ei s 加l l c hl a 增e rm a n1 1 0 p p i i 培r d ，o t ss i z e i t 咖t c sw e n t 0t om l k 瞰陋，nt e ：r m i na n dh 弱甑t e m i v e 印p l i c 撕o np r o s p e c ti n 丘e l do fa r c h e o l o 舀c a l e x p l o r a 吐o i l ，即舱r g 锄c ys e r v i c e 锄dd ：i s 懿t 盯托l i e i i l i l i 乜i d rr e c 0 珊i a i s s a n c e 锄ds oo n p u 血gm e w h e e l e dl t i o na n dh o p p i i l gl n 0 6 0 nt o g e m e r h o p p i n g 加b o tc 纽c h 0 0 s em er i g h tm o t i o n 脚o d e a c c 池gt 0 也et e 删nt oi i i l p v et h ea l e 增：yu 缸l i 刎0 ne 伍c i e i l c ya n de l l l a r g e 也e 啪g eo f m o t i o no f 1 1 0 b o t s o ，w h e e l e dh 叩p i i l gr o b o th 雒v e 巧i m p o r a n t 托s e 砌lv a l u e a c c o r d i l 唱t 0t h ec 印a ：b i l 埘c 皑l p a r i s o no ft w dt ) ，p eo fh o p p i i l gm e c h a n i s m s ，t ) i p eo fh o p p 吨 r o b o t se n e 昭：) ，s o u 璐ei sc o l l | i r r n e d b 弱e do n 也e 如【a l y s i so fp r i n c i p l eo fi n t c m a l - e n e r g y 一出v e n h 叩p i i l gm e c i l a l l i s m ，也es 佃j c 嘶o fi i l 删t 咄n ts i i l g l e - a c 缸o ni n t 锄a l - c o i n b l l s t i o ne n g i i l eh o p p i l l g m e c 枷s mi sd e s i g n e db y 璐i n gt l l l d i | n s i o np a 埘m 仃i cd e s i 驴s o f t w a 聆p r 0 e ，觚d 也饥t h e p h y s i c a lp r 0 幻t y p eo f 枷：e r i i l i 批n ts i l l 翊e 噜c d o ni i l t e r n a l - c o m b 吣d o n 衄舀i sm 觚u f 如t u r e d a c c o r d b f 培t 0 廿l en d so fh o p p i l l g 加b o t ，p r o p 锄e 锄dl a u g h i n gg 豁删2 0 ) a r ec h o o s e d 淞f i l e l 姐de ) 【p l o s i o nl i l l 1 i t ，d e t o i l a 矗o n 唧e 均l u 他，d e t o n a l i o np r e s s u 把o fm 政e df b e lg 雒a 北触l a l y s e d 觚d c a l c u l 纳e dt o p r o 、，i d ee v i d e n c ef 1 0 r 狮a l y s i sa n de 】【p e 面m e n to fi i l 钯m l i t t e n ts i i l 酿e a c t i o n i i l t e m a l _ c o i i l b u s t i o ne l i g i n et l o p p i i l gm e d 埝l l i 锄 a n s y s sa d 煳d 孤咖i st e c h n o l o g 州心d l0 气n s y | sp 觚吼e 缸i cd e s i 弘i 棚留豫伊) i s 憾e d t 0d e v e l 叩s p e c i a l 撇l y s i sp r o g 姗sf - o rt l l ep a r a m “cf i n i t ee l e m e n t 卸a l y s i so ff o r c e d i 印l a c e 玎舱n t c u r 、，eo fk ) c k i n gr n e c h a n i 锄a n d m a p so f s 缸e s sa n ds t a i l lo f p i s t o n 强d e rb i g hp r e s 翻，砌c hp i d 、，i d e e 、，i 妇ef 0 rt h ed e s i g no f 咖i i l gm e c h a l l i s 啦 u s i n g 删t t e i l ts i i l g l e 一t i o l ln e n l a l - c o m l ) u s t i e n g i i 圯雏h o p p i n gm t 妯a l l i s i n ，龇硼i r k i i 培 p r i n c i p l ea n ds m l c t t l 他o fh 叩p i n g r o b o t 谢mw h e e i e d 脚t i o na 砖d e s i 伊l e d 锄dp h y s i c a lp t 0 咖eo f i n 钯r i 】【l i 铀e n ts i l 喀l e a c t i o ni i l t e m a l - c o m b u s 吐o n 铋g i 鹏i sa l s om 籼f 缸加r e d e x p e r i i | 1 e n t a lv e r i f i c a d o no fi i l 钯r i i l i t t e n ts i i l g l e - a c t i o n 协t e ：m a l _ c o m b 嘣o ne n g i n eh o p p i i l g n l e d b a i l i s ma n d ，h e e l e dh o p p i l l g “，b o ta r _ e d e 1 却a r i n l e n t a ll s e a c h e so n2 i i r t ig ：h 衄l e s s ， f 印1 a c 豇n e n to fp l u n g e rp i s t o 咀，i m i m a ll o c k i n gf 1 0 r c eo f1 0 ；k i n gm e c h 觚锄，西o wp l u gi g i l i t i o nc o l d s t a r ta n ds o0 no fh n 舶【i l i t t e n ts i l l 9 1 e - a c t i o ni n l 朋：l a l - c 伽i b u s t i o n g i l l ea 他d o o nt h i sb 豳i s ，n 圮 a b n i 够o ff t 圮w h e e l e dm o t i o n 姐dh o p p i n gm o 矗o n 姗s st l l eb a 耐e ro fw l 圮e l e dh o p p i l l gr o b o ta r e a l s oe x p e i i i 删l ys t u d i e d 1 1 屺f e s u l t ss h o w 扭tn l er o b o th 勰n 把a b i l i 锣o fw h e e l e dm o t i o n 柚d h o p p i i l gm 矾。玛a n dm eh o p p i n gm o t i o ni s 托l i a b l e ，t h eh o p p i n gh e i g h ti sa b o u t1 5 m e t e r t l l e h o p p i l l i gd i s p l a c i 洳删ti sa l s oa b o u t1 5 n 蛾e l 4 0 、智；鼻 南京航空航天大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：w h l e d ，岫i n gr o b o t ，h o p p i n gm e c k m 函n s i i l g l e 铡i n t e m a l - c o m b 嘶o ne n 西n e ， p r 0 甩，a n s y s ，a p d l 轮式移动弹跳机器人研究 目录 第一章绪论1 1 1 弹跳机器人研究意义1 1 2 弹跳机器人分类2 1 2 1 弹跳运动方式2 1 2 2 能源类型3 1 3 弹跳机器人研究现状。3 1 3 1 国外弹跳机器人研究现状3 1 3 2 国内弹跳机器人研究现状8 1 4 本文的主要工作1 0 第二章单动内燃机弹跳机构研究1 2 2 1 引言1 2 2 1 1 弹跳机构分类1 2 2 1 2 弹跳机构能源方式确定1 2 2 1 3 现有燃爆式弹跳机构介绍。：。1 3 2 2 内能驱动型弹跳机构原理设计1 4 2 2 1 内燃机简介1 4 2 2 2 间歇式单动内燃机原理设计1 5 2 2 3 间歇式单动内燃机弹跳机构1 6 2 2 4 间歇式单动内燃机总体结构1 7 2 3 间歇式单动内燃机主体结构设计1 7 2 3 1 汽缸结构设计1 7 2 3 2 汽缸座结构设计1 9 2 3 3 活塞组结构设计2 0 2 3 4 锁紧盘结构设计2 3 2 3 5 锁紧机构2 4 2 3 6 间歇式单动内燃机装配2 5 2 4 间歇式单动内燃机辅助系统设计2 6 2 4 1 进排气系2 7 2 4 2 点火系2 9 2 4 3 润滑系3 0 2 5 本章小结3 0 第三章单动内燃机燃料特性3 l 3 1 燃料特性3 1 3 1 1 丙烷物理性质3 1 3 1 2 笑气物理性质3 1 3 1 3 丙烷笑气混合燃气优点3 2 3 2 爆炸极限3 3 ， 一 4 ： 卜 南京航空航天大学硕士学位论文 3 2 1 活化能理论。3 3 3 2 2 爆炸极限理论3 4 3 2 3 爆炸极限的计算3 5 3 2 4 爆炸极限的影响因素3 6 3 3 爆温3 7 3 4 期暴压3 9 3 5 本章小节4 0 第四章单动内燃机有限元仿真分析4 1 4 1 弓l 言4 l 4 1 1a n s y s 有限元仿真分析技术。4 l 4 1 2 单动内燃机有限元仿真分析4 1 4 2 圆柱形永磁体间磁场及磁力仿真分析4 2 4 2 1 圆柱永磁体专用分析程序开发4 2 4 2 2 圆柱永磁体专用分析宏文件4 3 4 2 3 实验结果分析4 8 4 3 内燃机锁紧力仿真分析4 9 4 3 1 圆柱永磁体间力与位移关系4 9 4 3 2 圆柱永磁体与螺钉问力与位移关系5 0 4 3 3 锁紧力与位移关系：5 2 4 4 活塞线性静力有限元仿真分析5 2 4 4 1a n s y s 结构有限元分析5 2 4 4 2 活塞线性静力有限元仿真分析5 3 4 4 3 活塞线性静力分析结果5 7 4 5 本章小结5 8 第五章轮式移动弹跳机器人设计实现5 9 5 1j ；i 言5 9 5 1 1 复合运动方式的弹跳机器人5 9 5 1 2 轮式移动弹跳机器人6 0 5 2 轮式移动弹跳机器人原理设计6 0 5 2 1 轮式移动机器人简介6 0 5 2 2 轮式移动弹跳机器人基本思想6 0 5 2 3 轮式移动弹跳机器人工作原理6 1 5 2 4 轮式移动弹跳机器人具备的能力6 l 5 3 轮式移动弹跳机器人结构设计6 2 5 3 1 轮式移动弹跳机器人6 2 5 3 2 主体结构设计6 4 5 3 3 车轮设计6 4 5 3 4 前车轮轴设计6 5 5 3 5 后车轮轴设计6 5 5 3 6 后轮驱动机构设计6 6 5 3 7 主体与内燃机连接机构设计6 7 5 4 本章小节6 7 v 轮式移动弹跳机器人研究 第六章轮式移动弹跳机器人试验研究6 8 6 1 单动内燃机气密性6 8 6 1 1 密封6 8 6 1 2 试验方案与设备6 9 6 1 - 3 试验过程6 9 6 1 4 试验结果与分析7 0 6 2 单动内燃机柱塞复位7 0 6 3 单动内燃机锁紧机构锁紧力测试7 1 6 3 1 试验目的与设备7 l 6 3 2 试验过程。7 1 6 3 3 试验结果和分析7 1 6 4 单动内燃机热火头红热7 3 6 5 单动内燃机点火7 3 6 5 1 试验目的与设备7 4 6 5 2 试验过程7 4 6 5 3 试验结果与分析7 5 6 6 轮式移动弹跳机器人移动弹跳越障7 5 6 7 本章小节7 7 第七章总结与展望7 8 7 1 本文主要工作与总结7 8 7 2 展望7 8 参考文献。8 0 致谢8 3 在校期间发表的学术论文。8 4 + f 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 四腿支撑的太空座椅弹跳原理3 图1 2 四腿支撑的太空座椅结构。4 图1 3r a i b e n 二维弹跳机器人4 图1 4r a i b 矾三维弹跳机器人4 图1 5n a s a 第一代5 图1 6n a s a 第二代。5 图1 7n a s a 第三代5 图1 8 燃爆式弹跳机器人6 图1 9 燃爆式弹跳机器人弹跳试验6 图1 1 0 原型机工作原理7 图1 1 1 远距离弹跳机器人7 图1 1 2 智能主动地雷。7 图1 1 3 树蛙弹跳机器人。7 图1 1 4 轮式移动弹跳机器人：。8 图1 1 5 气动救援弹跳机器人8 图1 1 6 气动救援弹跳机器人弹跳原理。8 图1 1 7 弹跳机器人及其遥操作终端控制系统。9 图1 18 燃爆式弹跳机构9 图1 1 9 弹跳机器人模型。9 图1 2 0 仿袋鼠弹跳机器人1 0 图1 2 1 仿袋鼠弹跳机器人机构1 0 图2 1 单动内燃机的工作原理1 5 图2 2 弹跳过程1 6 图2 3 间歇式单动内燃机总体结构1 7 图2 4 汽缸三维模型。1 8 图2 5 汽缸实物1 8 图2 6 汽缸座的三维模型1 9 图2 7 汽缸座与滑动轴承配做后实物。2 0 图2 8 安装有永磁体的汽缸座2 0 图2 9 活塞组三维模型( 注：其中柱塞弹簧未画出) 2 1 图2 1 0 活塞组实物2 l 图2 1 l 活塞组零件2 1 图2 1 2 活塞剖视图2 2 图2 1 3 锁紧盘三维模型2 3 图2 1 4 锁紧盘实物2 3 图2 1 5 装有永磁体的锁紧盘。2 3 图2 16 锁紧机构三维模型2 4 v 轮式移动弹跳机器人研究 v m 图2 1 7 间歇式单动内燃机主体装配图2 5 图2 1 8 间歇式单动内燃机主体零件2 5 图2 1 9 间歇式单动内燃机主体三维模型( 注：其中活塞弹簧未画出) 2 6 图2 2 0 间歇式单动内燃机主体2 6 图2 2 l 进排气系统原理图2 7 图2 2 2 进排气系统2 7 图2 2 4 减压阀2 9 图2 2 5 热火头。3 0 图3 1 活化能示意图3 3 图4 1 启动文件中添加的命令4 3 图4 2 l b 盯上的缩写按钮。4 3 图4 3 参数化模型4 4 图4 4 几何参数输入对话框4 5 图4 5 属性参数输入对话框。4 5 图4 6 几何模型4 5 图4 7 网格划分模型4 5 图4 8 磁通密度云图4 6 图4 9 磁场强度大小云图4 6 图4 1 0 磁力线分布图：4 6 图4 1 1 磁力显示对话框4 6 图4 1 2 修改源文件。4 7 图4 1 3 磁力，位移仿真结果4 7 图4 1 4 实验设备4 8 图4 1 5 实验界面4 8 图4 1 6 实验仿真对比4 8 图4 1 7 磁通密度图4 9 图4 18 磁场强度大小图4 9 图4 1 9 磁力线分布图4 9 图4 2 0 磁力大小显示对话框4 9 图4 2 1 磁力与位移关系。5 0 图4 2 2 几何参数和材料属性输入提示对话框5 0 图4 2 3 参数化几何模型5 1 图4 2 4 网格划分模型51 图4 2 5 磁通密度5l 图4 2 6 磁场强度大小5 1 图4 2 7 磁力线分布5 1 图4 2 8 磁力大小显示对话框5 l 图4 2 9 磁力与位移关系51 图4 3 0 锁紧力与位移关系5 2 图4 31 活塞几何模型5 4 图4 3 2 几何参数示意图5 4 图4 3 31 4 活塞有限元模型5 5 i 一 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 3 4 活塞内部沟槽有限元模型5 5 图4 3 5 活塞头部有限元模型5 5 图4 3 6 活塞结构变形形状5 7 图4 3 7 活塞总位移结果5 7 图4 3 8 活塞等效应力5 7 图4 3 9 活塞等效应变一5 7 图5 1 轮式移动弹跳机器人工作原理6 l 图5 2 轮式移动弹跳机器人三维模型6 2 图5 3 轮式移动弹跳机器人实物6 3 图5 4 弹跳机器人控制部分6 3 图5 5 弹跳机器人主体结构三维模型6 4 图5 6 前车轮6 5 图5 7 后车轮6 5 图5 8 前车轮轴三维模型6 5 图5 9 前车轮轴实物。6 5 图5 1 0 前车轮轴装配6 5 图5 1 l 后车轮轴三维模型6 6 图5 1 2 后车轮轴实物6 6 图5 1 3 后车轮轴装配：6 6 图5 1 4 滑动轴承三维模型6 6 图5 1 5 滑动轴承实物。6 6 图5 1 6 后轮驱动机构6 7 图5 1 7 主体与内燃机连接6 7 图5 1 8 舵机与内燃机连接6 7 图6 1o 形圈启动摩擦实验6 8 图6 2 空气压缩机6 9 图6 3 密封试验内燃机系统。6 9 图6 4 内燃机密封试验7 0 图6 5 柱塞运动验证试验。7 0 图6 6 锁紧力测试试验设备。7 2 图6 7 锁紧力测试7 2 图6 8 修改后的锁紧力与位移关系曲线。7 2 图6 9 直流稳压电源与热火头连接7 3 图6 1 0 热火头红热状态7 3 图6 1 1 单动内燃机点火试验7 5 图6 1 2 轮式移动弹跳机器人移动试验7 6 图6 1 3 轮式移动弹跳机器人弹跳越障试验7 6 轮式移动弹跳机器人研究 x 表清单 表1 1 三种运动方式性能比较2 表2 1 凯泽西部保留地大学三种多足机器人性能比较1 3 表2 2 电磁阀性能参数2 84 表2 - 3 减压阀性能参数2 9 表3 1 丙烷的物理性质3 l - ， 表3 2 笑气的物理性质3 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三；百了匕 1 1 弹跳机器人研究意义 机器人是高级整合机构学、仿生学、材料、控制论、计算机、信息处理和人工智能的产物。 机器人在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途，且扮演着越来越重要的 角色，正在替代人类发挥日益重要的作用。随着应用范围的扩大，机器人所要面对的环境越来 越恶劣，因此人们需要研制各种不同类型的机器人以适应不同的工作环境。 机器人按其移动性可分为两大类【l 】= ( a ) 固定式机器人，固定在某个底座上，整台机器人 ( 或机械手) 不能移动，只能是各个关节产生运动；( b ) 移动式机器人，整个机器人可以沿某 个方向或任意方向移动。 为适应各种复杂的应用环境，各类型运动方式的移动机器人应运而生，但目前移动机器人 主要有两种运动方式【2 】：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 各式各样的遥控玩具机器小车或自主运行的机器小车，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；另一种是仿生爬行或步行方式，如蛇形机器人、机器猫、机器狗以及各种 各样的机器昆虫，这些机器人一般为某种特定的应用而设计。 轮式或履带式驱动机器人具有很高的效率而且使用较简单的机械就可实现运动。轮式机器 人的研究重点倾向于牵引、稳定性、机动性以及控制，而无需担心平衡的问题【3 】。但轮式或履 带式机器人只能在相对平坦的地势下工作，轮式驱动机器人在复杂条件下行动能力存在上限， 翻越不了大尺寸障碍物，故对于凹凸不平的地形将存在很大限制。 仿生爬行或步行机器人是以一系列机器人和地面之间的点接触为特征，主要优点包括在粗 糙地形上的自适应性和机动性，以及操纵周围环境的灵活性，如甲壳虫机器人可以用前肢在运 动同时滚动一个球。由于腿不但要支持机器人重量而且还包含很多自由度，步足机器人的缺点 主要是动力和机械结构的复杂性【4 】。 上述两类移动机器人各有优缺点，但它们有个无法克服的共同缺点：很难一次性跃过较大 的障碍物或沟渠，且移动的过程中都只能紧贴着地面，对工作环境要求较高。随着机器人应用 范围的扩大，机器人在很多时候被要求具备弹跳能力，这种具备弹跳能力的机器人就被称为弹 跳式机器人，即弹跳机器人。相对于采用以上两种运动方式的移动机器人，弹跳机器人可以轻 而易举地跃过与自身尺寸大小相当的障碍物或沟渠，甚至可以跃过数倍于自身尺寸的障碍物， 因此更适合复杂和不可预测的环境。 弹跳式机器人具有移动式机器人所无法比拟的优点，主要有以下几个方面： ( 1 ) 可以翻越较高的目标障碍物或较宽的沟渠。弹跳机器人通过弹跳运动可以越过数倍甚 l 轮式移动弹跳机器人研究 至数十倍于自身尺寸的障碍物或沟渠，在考古、反恐、救灾、战场侦察等领域有着广阔的应用 前景。当弹跳运动与传统运动方式结合时，可以大大提高机器人的活动范围。例如：将轮式移 动和弹跳运动相结合的轮式移动弹跳机器人具有更强的环境适应能力，也是本文所研究的重点； 将爬行或步行运动与弹跳运动相结合，同时实现行走与弹跳，如机器蟋蟀【5 周与机器猫【刀等。 ( 2 ) 重力加速度低或者失重状态下，弹跳运动具有特殊优势。星际探索中，月球与火星表 面重力加速度大大低于地球( 火星3 8 ，月球1 7 ) ，弹跳运动能充分利用这个优势。1 9 6 9 年 美国就有人研制弹跳机构用于月球探索【8 】，根据当时“阿波罗”号飞船登月时的数据以及后期 试验与计算，列出在月球上三种运动方式性能的比较( 表1 1 ) ，可见弹跳机器人的弹跳运动在 星际探索中是一种比较理想的运动方式。 表1 1 三种运动方式性能比较 运动方式活动距离 重量取曲有效载荷仪g ) 持续性 弹跳机器人 3 04 5 07 3 h 喷气式 72 0 57 1 3 l 蚝推进燃料 漫游小车 1 71 7 5 0 更大数小时 ( 3 ) 弹跳运动是一种仿生运动，具有运动灵活的特点。在自然界中，很多的昆虫、鸟类和 兽类能够跳跃：跳蚤跳跃最高1 5 c i n 、最远3 0 c m ；青蛙跳跃时初速为1 2m s ，最高点达2 3 c m ， 远达5 0 c m ；只5 龄的蝗虫可跳3 0 c m 高，7 0 锄远；特别值得一提的是生活在澳洲草原上的 袋鼠，以跳跃代步，能连续跳跃，一只1 8k g 重的大袋鼠，跳起来最高近3 m ，最远达9 m 。如 果我们把这几种动物跳跃能力和它们身体长度作比较，青蛙能跳到自身长度的1 2 倍，袋鼠达到 5 倍，跳蚤可达2 0 0 倍【9 】。其中类似青蛙、蝗虫和袋鼠等的仿生弹跳机器人都有相关的研究。 为适应更为复杂的工作环境，弹跳机器人作为固定式机器人和移动式机器人外的另一个研 究课题显得尤为重要。弹跳式机器人也已经成机器人的另一个独立分支。因此，机器人按其移 动性可分为三大类：( a ) 固定式机器人；( b ) 移动式机器人；( c ) 弹跳式机器人，该类型机器人具 有仿生弹跳功能，运动方式更加灵活，具有更强的地面适应能力。 1 2 弹跳机器人分类 在国外关于弹跳机器人的研究较早，且已经取得了较多的研究成果；而国内弹跳机器人的 研究才刚刚起步。弹跳机器人可以简单地概括为具有弹跳功能的机器人。根据弹跳运动方式和 能源类型，可将弹跳机器人进行不同分类。 1 2 1 弹跳运动方式 弹跳机器人从弹跳运动方式上大致可分为两类：一类是能实现连续弹跳运动的机器人，即 足部接触地面后短时间内再次弹跳，弹跳能量补充与姿态调整动态完成，袋鼠的跳跃运动即是 2 一 南京航空航天大学硕士学位论文 这种方式，可称之为连续弹跳机器人；另一类是能实现间歇弹跳运动的机器人，两次弹跳之间 有明显时间间隔，用于姿态调整与能量补充，自然界大多数动物都属于这种运动方式，如跳蚤、 蝗虫等。 1 2 2 能源类型 机