（机械设计及理论专业论文）仿袋鼠跳跃机器人运动学及动力学研究.pdf

摘要 摘要 仿袋鼠跳跃机器人的研究是机器人领域的一个前沿性课题。袋鼠为双足 同步跳跃模式，具有速度快、运动稳健、立足面小及耗能低等优点。仿袋鼠 跳跃机器人的结构及控制简单，智能化要求不高，可适应在非结构化、未知 环境下工作，能灵活、可靠地执行任务，因而它可广泛地用于星际探测、军 事侦察、地质勘探、森林防护、抢险救灾以及反恐防爆等领域。 本文提出了借助于生物运动录像资料研究仿生机构的方法。基于对袋鼠 跳跃录像资料的分析，采用理论建模与计算仿真的研究方法，在研究搞清袋 鼠生物系统的跳跃运动结构、形态及特征及其运动机理的基础上，提出了仿 袋鼠跳跃机器人机构模型，进而进行了仿生跳跃运动学及动力学研究，建立 了仿袋鼠跳跃机器人机构分析理论及设计方法，从机构学角度揭示了袋鼠跳 跃的运动机理，为仿袋鼠跳跃机器人的实现，解决其弹跳机构、弹跳动力等 关键技术奠定理论基础。 通过对袋鼠跳跃录像资料分析，结合其生物学研究成果，研究了袋鼠生 物系统运动结构的尺寸比例和质量分布规律，分析了袋鼠跳跃的运动形态和 特征，以及其腿部肌腱、柔性长脚及尾巴的特殊功能；基于袋鼠腿部的弹簧一 质量模型，推导了其跳跃时地面反力、能量变化及腿部当量弹簧刚度系数计 算公式，揭示了袋鼠跳跃运动结构与形态上的一些规律和影响跳跃运动的主 要因素及主要参数，发现了一些有价值的仿生研究点。 针对袋鼠跳跃运动特征，提出了具有柔性脚趾的仿袋鼠跳跃多杆机构模 型，建立了着地与腾空两个阶段的仿袋鼠跳跃单腿机构分析模型及坐标系， 分析了相应的运动参数及其取值范围以及坐标变换矩阵，为仿袋鼠跳跃机器 人的运动学及动力学研究提供了基础。 建立了仿袋鼠机器人跳跃运动步态的运动学。应用d h 法和矩阵乘逆法 分别从着地和腾空两个阶段对机器人进行了正、逆位姿分析，给出了位姿正 解方程和逆解解析式；通过机器人雅可比矩阵和微分运动分析，建立了仿袋 鼠机器人速度分析的方法；采用m a t l a b 编程，结合实例对模型进行了运动步 态仿真计算分析。研究表明，模型的跳跃步态和质心运动等特性与现有实验 测试规律吻合较好，揭示了袋鼠跳跃跃远度大、运动平稳及耗能低的运动学 规律。 建立了考虑落地冲击的仿袋鼠跳跃机器人跳跃全过程多刚体系统动力学 模型。针对袋鼠跳跃运动的特点，从跳跃运动的腾空、冲击及着地三个阶段， 摘要 建立了仿袋鼠机器人四刚体系统动力学模型和冲击模型，应用l a g r a n g e 方法 和动量矩定理，建立了对应三个阶段的系统动力学方程和躯干摆动方程，研 究了机器人全跳跃周期的关节空间的轨迹规划，推导给出了相应的公式；利 用m a t l a b 工具，对结构仿生的跳跃机构模型进行了轨迹规划和运动及动力特 性仿真计算研究。结果表明：该模型能达到模拟袋鼠跳跃运动步态和特性的 要求，可以用来预测机器人整个跳跃过程的跳跃姿态、质心轨迹、关节驱动 力矩和地面反力以及冲击情况，但在加速度预测尚存在一定的误差。所建立 的仿生跳跃机器人全程多刚体动力学的理论及方法具有指导意义。 提出了仿袋鼠柔性跳跃机器人机构模型及其动力特性分析方法。采用线 性扭转弹簧模拟关节柔性和袋鼠腱储存弹性能的作用，提出了仿袋鼠柔性关 节的单腿跳跃机构伪刚体模型，用凯恩法建立了系统动力学方程，给出了着 地阶段各关节驱动力矩方程；用柔性悬臂梁结构模拟袋鼠柔性脚趾弹性变形 及缓冲作用，提出了仿袋鼠柔性脚趾的动力学模型，应用弯矩作用的柔性悬 臂梁形变理论，分析给出了机器人柔性脚趾对趾关节位置影响的规律、环境 动力学方程和起跳离地条件。结合实例对上述动力特性进行了仿真计算分析。 结果表明：柔性关节可有效降低踝关节驱动力矩的峰值，使其得以均衡，有 利于解决弹跳机器人电机驱动的关键技术；柔性脚趾模型能有效增大起跳时 间，提高弹跳初速度和改善脚部压力，可增强对环境适应的范围；揭示了袋 鼠跟腱发达的动力学机理。为仿袋鼠柔性弹跳机器人的设计与控制提供了理 论依据。 本文得到了国家自然科学基金项目州o 5 0 3 7 5 1 2 0 ) 的资助。 关键词：袋鼠弹跳机器人仿生机构运动学动力学 a b s r a c t a b s t r a c t r c s e a r c h0 nh r 皿( h o p p i n gr o b o tm o d e l l e do nk a j l g a r o o )i sa c h a l l e n 百n ge x p l o r a t i o ni l l t l l er o b o ta r e a f a s t e rs p e e d ，m o r es t a b l em o t i o 玛 s m a l l e rf b o 恤0 1 dr e q 伍r e m e n ta i l dl o w e re n e r g yc o s ta r en l ea d v a l l t a g e so f k a n g a r o oh o p p 堍m o d e l ，i i l 州曲b 汕l e g sm o v es i 舢1 乜n e o u s l y h r m kc a l lb e v 矗d e l yu s e di np l 卸e td e t e c t i o n ，m i l i t a r ys p y i r 培，g e o l o g i c a ld e t e c t i o n ，f o r e s t p r o t e c t i o l l ，e i n e 唱e n c ya 1 1 dc a l a i i l i t ym a n a g e m e 鸥锄t it e 玎o r i s mb e c a _ w eo fi t s s i m p l i c i 哆i nc o n f i g u r a t i o n 蛆dc o n 仃d l ，l o 、惯i n t e l l e c t i l a l i z e dr e q u i r e m e l l t sa i l d f l e x i b l ea 妇p 诅b i l i t yu n d e ru n c o n s 仇l c t e da n du 1 1 b e k n o w nw o r l 【i n gc o n d i t i o n s ab i o n j cm e c l l a i l i s ma n a l ”i c a lm e t l l o db yv i d e oi n f o 彻撕o ni s 触 p r e s e n t e di l lt h j sp a p e r b a s c do nt h ek a n g a m o _ h o p p i n gv i d e o ，b yu s i n gt h e t h e o r e t i c a la n a i y s i sa 1 1 ds i l l l u l a t i o nt 1 1 e o r yt 1 1 eh r m km o d e lh b e e np 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k e y w o r d s ：k a i l g a m o ，h o p p i n gr o b o t ，b i o f l i cm e c h a l l i s m ，搿n e m a 石c s ， d y i l 锄i c s 西北工业大学学位论文知识产权声明书 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本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和汇编本学 位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西北工业大学。 、 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：三壅乏篓 指导教师签名：学位论文作者签名：。纽兰兰指导教师签名： 肋年，。月7 日 厕年7 务月_ 7 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：丝 一f 年f 二玛) b 1 3 7 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着考古探测、星际探索、军事侦查以及反恐等工作的加强，要求机器 人能适应非结构化的、未知的工作环境和自主完成各种复杂的、精巧的、高 难度的、甚至有危险性的工作任务”。人们在仔细研究了各种生物系统的结 构、运动方式和控制方式之后，精巧地设计出了各种仿生机器人，模仿生物 的某些特点与本领来完成一些特殊任务。因此，仿生机器人是机器人发展的 最高阶段。 仿生机器人按其运动结构特点分为轮式或履带式机器人、足式机器人、 飞行机器人和水下机器人等等。就地面移动机器人而言，主要有轮式、履带 式和足式三种。目前大多数的移动机器人为轮式或履带式的，诸如军事侦察、 排爆、消防等遥控机器人。足式机器人可按其足数分为八足机器人( 0 c t o p o d s ， 如仿蜘蛛机器人) 、六足机器人( h e x 印o d s ，许多仿昆虫机器人如仿蟋蟀机器人 等) 、四足机器人( q u a d n p e d s ，绝大多数动物的仿生机器人，如机器狗、机器 马等) 、两足机器人( b i p e d s ，如仿人和仿袋鼠机器人) 和单足机器人( m o n o p o d s ， 主要用于腿型机器人的理论研究) 【8 i 。足式机器人又可按其运动保持平衡的方 式分为静态稳定的( 即在运动循环中，机器人的重心始终在支撑图形内) 和动 态稳定的( 即在运动循环中，机器人的重心有时不在支撑图形内) 足式机器人 【9 】，足式机器人还可按其运动形态分为跳跃机器人、步行机器人和爬行机器 人等。 仿袋鼠机器人属于一种两足跳跃运动方式的仿生机器人，其优势在于： 1 ) 与轮式或履带式移动机器人相比，其优点：一是机动性好，即具有较 强适应复杂崎岖地形的能力。因轮式或履带式机器人运动的立足点必须是连 续的，它必须面临最坏地形上的几乎所有点。而足式机器人运动的立足点则 是离散的，可以在可能到达的地面上选择最优支撑点，对复杂地形的适应性 较强，因而可以通过松软地面( 如沼泽、沙漠及草原等) 以及跨越较大障碍( 如 沟、坎和台阶等) ，而且对环境的破坏程度也很小。二是运动灵活性大，有主 动隔震作用。因足式机器人有多个自由度，允许身体与足的运动轨迹解耦， 所以即使地面高低不平，但其身体的运动仍可十分平稳。三是在不平的地面 上前进的速度也较快( 轮式车为5 8 k f n 1 1 ，履带车为8 1 6 k r r l h ，而足式可高 达5 6 k i n 1 1 ) 【9 】。 第1 章绪论 2 ) 跳跃机器人能发挥出步行或爬行移动机器人所不具备的特殊作用。步 行或爬行机器人虽较轮式或履带式移动机器人的越障能力稍强，但由于其自 由度多，大量的关节驱动器使得其结构与控制复杂，运动缓慢，也难以越过 自身高度的障碍物。相反，跳跃机器人要求落脚面积最小，适应更复杂的地 形和环境；可跳跃其自身高的数倍甚至数十倍高度，越障能力和活动范围大： 弹跳运动的突然性与爆发性还有助于机器人快速躲避危险；而且其结构自由 度可很少，但其运动自由度并不少，因而其运动灵活性高，结构与控制简单， 易微小化。 3 ) 袋鼠是跑跳动物中最有特点的动物，它不仅奔跑速度快、越障能力强 及运动稳健，而且耗能低。 因此，研究仿袋鼠机器人有助于我们了解袋鼠动物的跳跃运动规律，揭 示其运动机理，解决跳跃机器人的动力学、运动稳定性、节能等关键技术， 具有重要的理论意义和科学价值。仿袋鼠跳跃机器人在未来星际探测、军事 侦察、消防灭火、排爆扫雷、反恐斗争等领域中也具有广泛的应用前景。 本论文研究工作是“仿袋鼠全柔性跳跃机构及其相关动力学研究”国家 自然科学基金项目( 5 0 3 7 5 1 2 0 ) 资助下进行的。 1 2 弹跳机器人的研究现状 弹跳机器人的本体部分为弹跳机构。弹跳机构可大致分为利用弹性力、 惯性力、气动力、内燃力等动力弹跳的弹跳机构。弹跳机器人又可按其弹跳 运动机理的不同分为般弹跳式机器人和仿生跳跃机器人两大类。 一般弹跳式机器人是利用能产生弹力的机构进行弹跳的机器人，按其能 量积累的方式不同又可分为钟摆型、弹射型和混合型等。这类机器人具有自 由度少，结构简单，跳跃动作易实现的特点。关于弹跳的理论研究主要集中 在连续弹跳运动动态稳定性的非线性动力学分析。 仿生跳跃机器人是从自然界生物的跳跃动作中获得启发，模仿生物的肢 体运动结构或按生物跳跃运动机理研制的机器人。如机器蟋蟀、机器跳蚤、 机器马等等【i o l “。它们的特点是自由度多，运动灵活，对环境的适应能力强， 但其跳跃运动需要多关节协同工作，实现稳定运动难度较大。因此目前仍处 于理论探索和试验研究阶段。 当前除美国和日本外，也有其他一些机构在进行弹跳机构的研究，但研 究目的与方式有所不同。美国弹跳机构研究目的主要是为太空探索和军事应 用服务，日本则偏重于机器宠物和机器玩具。 第l 章绪论 1 2 1一般弹跳机器人的研究现状 1 9 8 6 年美国麻省理工学院( m a s s a c h u s e t t s1 1 1 s t i t u t eo ft e c l m o l g y ) 腿型机器 人实验室的r a i b e n 教授i l2 】设计了世界上第一个以跳跃方式运动的单腿机器 人，如图l 一1 所示。该单腿机器人的运动被限制在一个平面内，腿部装有汽缸， 作用相当于弹簧，它在地面上的运动类似于一个带弹簧的倒立摆。r a i b e r t m h 专门著书论述了这一模型，很多学者也从各个角度对类似机构进行了数学 建模与仿真分析【1 3 2 们。此后，出现的各种单腿机器人大都属于与此类似的结 构i l5 ，。目前这类弹跳机器人主要用于进行研究，很难实际应用。因为要将 它付诸实际应用，还需要配各大量的外围设备与器件作支撑，以保证其运动 稳定及能量供给等。 图l 1r a j h r t 弹跳机构 图l - 2 c r o b o t 弹跳机构 另一种较早的弹跳机器人机构模型为a c r o b a i i cr o b o t 【2 ”，也称a c r o b o t 。 它的结构类似于倒转的双钟摆，如图1 2 所示。该机构仅有一个旋转自由度口 和一个动力源，位于其关节处。机构弹跳是通过加速其质心使其底部逐渐失 去与地面的接触来实现的。文献【2 2 驯中介绍了有关分析和控制策略。a c r o b o t 的构造类似于蹦b e r t 的早期单腿弹跳机构，其旋转关节同时还充当平衡臂的 作用，并通过补偿口角来实现其落地姿态的控制。 基于a c m b o t 机器人结构，上海交通大学杨熠普提出了一种由三个旋动关 节组成的弹跳机构，如图1 3 所示。该机构可实现周期性的翻转跳跃运动【2 ”， 其运动由两个行走阶段和一个腾空阶段组成。行走时它仍象一个腿部为弹簧 机构的单腿机器人，腾空时必须不断地调整其姿态，才能实现良好的触地姿 态。目前仅对该机构进行动力学和轨迹规划的理论分析研究【2 6 2 ”。 美国加利福尼亚技术学院( c a l i f o m i ai n s t i t u t eo f t e c l i l o l g y ) 的p a o l of i o r i l l i 等人设计了一种用于星际探索领域的球形微型弹跳机器人。1 ，如图1 4 所示。 其弹跳是由安装在球内的一个弹跳装置产生的，该装置是由丝杠传动和压缩 弹簧等组成。整个装置由一个电机驱动，可同时完成机器人向指定方向的跳 跃和摄像头的旋转动作。这种弹跳机器人比以往的轮式和腿型机器人具有很 第1 章绪论 大优势，无论怎么翻转跳跃都不会跌到。 图l - 3 翻转弹跳机构 图l - 4 球形微型弹跳机器人 美国卡耐基一梅隆大学( c a 珊e 百em e l l o nu i l i v e r s i t y ) 与瑞士联邦技术学院 ( e n ) 的j e 锄c s t o p h ez u 虢r e y1 3 0 3 3 j 等人联合研制了一种弓形单腿跳跃 机构，如图1 5 所示。这种弹跳机构属于机械式、连续型的弹跳机构，其最大 的特点是巧妙地利用落地瞬时与地面的碰撞作为触发，简化了多数弹跳机构 中复杂的锁定与触发机制，且能够很好的利用上一次弹跳的能量。缺点是其 能量存储过程需要在腾空阶段来完成，因此能量存储时间有限，且不能循环 积累，弹跳高度受限。 b r 0 咖hb 也在原来研究的基础上”j ，于2 0 0 2 年研制了弓形单腿机器 人【列，如图1 6 所示。此机器人有一个重要的改进，是将原来髋关节处的柱面 关节换成了球面关节，使机器人的运动更加灵活。 圈1 s 弓形弹跳机的弹跳过程 图1 - 6b r o w n 和z 吲i n 等人研制的弓型机器人 1 2 2 仿生弹跳机器人的研究现状 美国凯斯西储大学( c 船ew e s “b mr e s e r v eu 血v e r s i t y ) 研究人员研制出一 种腿部由高分子管状纤维编织成的人工筋驱动的机械蟋蟀3 6 1 ，如图1 7 所示。 人工筋的纤维内部通过微型空气压缩机充气，并通过微控制器控制腿部微型 阀门及空气压缩机，使人工筋作出绷紧与收缩动作，驱动机械蟋蟀行走与弹 4 第l 章绪论 跳。该弹跳蟋蟀长为7 0 锄，研究人员正在进行机构微型化工作。 日本科学家通过分析猫在爬墙过程中的动作，仿造其半边身体的结构而 研制了一种机器猫，它能象猫那样利用四肢的协调动作半跳半爬地越过障碍 物“。 美国国家航空宇航局( n a s a ) 喷气动力实验室( j p l ) 与加利福尼亚技术学 院联合研制了一种蛙形弹跳机【3 9 1 ( 图1 8 ) ，以解决星际探索中漫游车在崎岖的 地形地貌下活动范围有限的问题。弹跳机重1 3 蚝，有一条腿，装有弹弓，一 跃达1 8 m 。一个驱动电机由太阳能电池供电，自带嵌入式控制系统，配有微 型摄像机及各种传感器用于采集外界信息。它可自行前进及修正路线，适合 执行行星、彗星及小行星的探索任务【4 9 】。这一成果被刊登于美国当年的发 现杂志上【2 9 j 。 图1 7 仿生蟋蚌图1 8 蛙形机器人 美国麻省理工学院( m i d 腿型机器人实验室的r a i b e r t 教授等人研制了多 种仿生步行或爬行机器人。其中有两种可跳跃前进的腿型机器人【4 “4 ”。一种 是二维气动弹跳机，其腿部结构类似于袋鼠的后腿，如图l 一9 所示。该机器人 有四个关节，即髋关节、膝关节、踝关节及尾关节，它们分别由四个气缸驱 动并控制实现其弹跳和平衡。整个机体高度为1 1 m ，重量为1 7 3 k g ，向前弹 跳时速度可达2 2 i i l s 。 图1 9r a i b c r t 的二维气动机器人 图l 一1 0r a b e r t 的三维气动机器人 第l 章绪论 另一种是三维气动弹跳机，如图1 1 0 所示。该机器人具有更好的平衡性 和运动稳定性。维持三维单腿弹跳机动态平衡的控制系统由三部分组成：一 部分控制机构的前进速度，一部分控制机体与金属腿之间的角度，另一部分 控制弹跳高度。此机构可在水平面上自主跳动，受到干扰后能自动稳定，同 样需从外部连接电源、气管以及控制线等。 1 9 9 1 年美国的z e 酎i n 【4 2 1 、l e e 和i b e n 【4 2 l 在研究动物腿部模型的基础上， 试制了一种仿动物单腿机器人的模型u n j f o o 。2 0 0 3 年日本东京大学科研人员 又做了改进，研制了类似狗腿型的机器人“k e n l 【e n ”m l ，如图1 1l 所示。该 机器人能准确连续地实现类似狗的真实奔跑。但该机器人动力学非常复杂， 需要非线性综合分析。为了实现机器人的稳定跳跃，研究人员采用了以动力 学分析为基础，引用大量实践经验的特征动力学分析方法来实现机器人的控 制。该机器人的平衡仍需由空中悬吊的绳索控制。 图l - “日本的i i y 等人设计的k c n k e 单腿机器人 加拿大m c g i u 大学的一个研究小组分析了柔性机器人的控制算法，研究 了具有髋关节和腿部柔性的机器人，并于1 9 9 9 年试制了原型机一a r l m o n 叩o di in m d j n gm b o t h 5 1 ，如图1 1 3 所示。此原型机仅用4 8 w 的电机驱动就 可以1 2 m s 的速度跳跃。 图1 1 2a h m a d i 和b u e h i c r 等人研制的a r l 单腿机器人 6 第j 章绪论 美国斯坦福大学( s t a i l f o r du n i v e r s i t y ) 的j 锄e sp s c h l l l i e d e l e r 【4 6 】等人，通过 观察研究了马的奔跑运动机理，建立了一种跑跳四足机器人模型，其腿部质 量由两部分构成，上部分由髋关节驱动，下部分腿部类似于i b e r t 的单腿机 器人模型( 图1 1 3 ) ，由线性弹簧阻尼系统组成，通过与地面碰撞有效的储存能 量，实现机器人的跳跃动作。 图l - 1 3 四足弹跳机器人的腿部结构 美国阿拉巴马州大学( u i l i v e r s i yo fa l a b 锄a ) 的s u n gh op a r k 【4 在研究昆 虫的跑跳运动时，建立了昆虫腿的多刚体模型，如1 1 4 图示。并利用牛顿一 欧拉法建立了该模型的运动方程，分析了昆虫跳跃时脚的运动轨迹、地面反 作用力、能量转换，最后编制了计算机仿真软件“w a l k ”对四足的移动机器 人进行了动态计算和仿真分析。 段。 图1 1 4 昆虫腿的机构模型 目前仿生跳跃机器人的研究属于理论和实验探索阶段，尚未进入实用阶 1 2 3 仿生弹跳机器人理论及方法研究现状 在仿生弹跳机器人的理论及方法研究方面，迄今为止，绝大多数的研究 7 第l 章绪论 仍主要是集中在基于仿生单腿的单质量一弹簧模型的跳跃机器人运动学、动 力学及运动稳定以及控制等理论研究上。如r a i b e r tmh 等分析了单腿单质量 弹簧模型1 3 之o 4 0 _ 4 引，s 釉l iu 等人【4 9 】以及h a r b i c kk 和s u k b a t m eg 【5 0 1 对这 一模型进行了改进研究，h y o ns ，e m u r a t 【”j 和舢瑚a d im ，b u e l l l e r m 旧等人 考虑了质量块的转动，在弹簧和质量块的连接处加入了扭转弹簧。基于这一 模型的研究，可获取弹跳机器人最基本的运动和动力特性信息，解决运动机 理性的问题。但对仿生多肢体系统的跳跃机器人的研究来说，这只能达到解 决定性的研究问题。 目前基于仿生物多肢体系统的仿生跳跃机器人理论及方法研究尚处于起 步阶段。首先在多刚体系统仿生弹跳机器人研究方面，国外的研究多集中在 运动学及控制方面，而在动力学方面较少。目前主要有：1 9 9 9 年日本t a k a y u l i i k e d a 等人研究了仿袋鼠跳跃机器人，建立了由躯干、大腿、小腿和一个平 动脚组成的简单动力学模型，并进行了着地阶段的运动姿态分析，而该研究 的主要工作仍是采用单质量弹簧动力学模型，分析了袋鼠跳跃整个过程其质 心变化曲线，并给出了系统的角动量【5 肌。2 0 0 4 年荷兰阿姆斯特自由大学( v 啕e u n i v e r s i t e t i tb n 塔s e l ) 的j i i n n l yv 锄e u l e n 在他的博士论文研究中l7 】对弹跳和步 行机器人进行了研究，该弹跳机器人是由躯干、大腿和小腿组成的模型，采 用拉格朗日法建立了相应腾空、冲击及着地阶段多刚体动力学方程，并进行 了轨迹规划和简单仿真分析。在这方面考虑脚部的研究却很少。其次在仿生 柔性跳跃机器人研究方面，r a i b e r t 研究了在踝关节加弹簧的液动单腿弹跳机 器人h 0 1 ；h o 衄i 璐【蚓则研究了气动弹跳机器人；j 锄e sp s c h i n i e d e l e i 卅等人研 究了在髋关节加扭转弹簧的仿马跑四足机器人。但考虑脚部柔性的仿生弹跳 机器人研究尚未看到。大多研究者是从生物学方面进行了研究，给出了袋鼠 脚部的骨骼结构。在已经试验成功的弹跳机器人中，多数都没有脚。 目前国内对仿生弹跳机器人理论研究属于刚起步，现有的研究论文主要 集中在综述研究方面【4 7 1 。如南京航空航天大学刘壮志等人【5 5 5 6 。2 1 1 综合和分 析了国内外研究的单足单质量跳跃、弓形弹跳机、钟摆型、混合型及燃爆式 等五种典型弹跳机构模型的结构和运动规律，对其中单杆弹跳机构和六杆弹 跳机构的机构设计、起跳过程作了较为深入的理论分析，并设计制作了简单 机构样机。而这些研究工作属于一般弹跳机构的研究。 第l 章绪论 1 3 论文的主要工作 1 3 1 研究方案 一般认为，在仿生学研究中存在下列三个方面问题：生物原型、数学模 型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，而数学模型则是两者之间必不可 少的桥梁。本文的研究将涉及生物原型和数学模型的研究内容。 ( 1 1 生物原型与研究方法 袋鼠是澳大利亚最著名的有袋哺乳动物，主要分布在澳大利亚大陆的森 林、草原和沙漠中。袋鼠家族种类繁多，大约有5 0 多个品种，不同种类的袋 鼠体积和生存环境均不同。红袋鼠常见于草原和沙漠中，它的生存能力最强， 体积也最大，其跳跃运动特性明显。故本文所研究的袋鼠是指红袋鼠。 袋鼠的跳跃运动不仅在跑跳动物中最具特色，而且对其研究将涉及有多 学科和众多相关的理论及技术问题。如它的两条后腿同步跳跃作为其唯一的 运动方式，又属于单腿机器人研究，为足类机器人研究的基础；其后肢构造 中具有独特的肌腱、踝骨与脚趾结构及其储存和释放弹性能的作用，将涉及 人工柔性关节、人工肌肉、机器人动力与节能设计等问题：袋鼠特有的一双 柔性长脚和尾巴，奔跑时可缓解地面冲击和身体的波动，保证跳跃落地后的 稳定性，将涉及动态平衡和运动稳性等动力学问题的研究：弹跳过程是一种 典型的非线性动力学以及离散事件控制对象，对弹跳过程的具体研究将涉及 新的数学方法和新的力学问题等相关学科的研究。为实现弹跳功能，需要研 究解决能够处理在空中停留和接触地面两种状态的运动模式生成技术，能够 吸收着地时的冲击力以及修正姿态误差的稳定控制技术，这两项关键技术恰 恰是弹跳运动不同于行走运动的特殊之处。此外，还将涉及处理多传感器信 息实时融合技术的研究等等。而本文的研究则着眼于对袋鼠生物系统的运动 结构、运动形态和运动特征研究，目的是了解袋鼠跳跃的运动规律及机理， 获取相关研究数据，为实现对仿袋鼠机器人的机构、运动学及动力学数学建 模提供理论依据和基础。 对生物原型的研究方法，般是采用对动物运动直接进行观察、分析、 模仿及试验的方法，以达到揭示动物运动内在的规律，或借鉴自然进化的成 果，应用于新型机器人研究的目的。而本文的研究则缺少对袋鼠生物原体直 接进行观察和生物学研究的客观条件。为弥补这一不足，本文将采用借助于 袋鼠跳跃运动的录像资料的分析研究方法，并结合收集国外对袋鼠生物学研 究的相关资料和总结已有成果，以了解袋鼠跳跃的运动规律和机理，获取必 第l 章绪论 要的研究资料和数据，为其数学建模和以后的物理模型研究提供依据和基础。 ( 2 ) 数学模型及分析方法 在搞清袋鼠跳跃的运动结构及运动形态的基础上，首先，根据袋鼠跳跃 的运动特征，抽象并建立相应的仿生跳跃机构模型和数学分析模型；其次，