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仿生跳跃机器人BionicHoppingRobot 2015年06月10日 课程名称 仿生机器 2 目录 Contents 3 1 仿生跳跃机器人 发展现状 仿生跳跃机器人 仿生跳跃机器人 BionicHoppingRobot 仿生跳跃机器人是模仿生物的肢体结构或按跳跃运动机理制作的机器人 如机器蟋蟀 机器跳蚤 机器袋鼠及机器马等 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 5 1980年麻省理工大学腿实验室Raibert教授设计了世界上第一个以跳跃方式运动的单腿机器人 该机构共有两个自由度 一个是沿方向的移动自由度x 另一个是腿部和躯体之间的旋转自由度 随后Raibert又研制了二维和三维跳跃机构腿部结构 国外研究现状 单足跳跃机器人 Raibert单腿跳跃模型二维跳跃机器人三维跳跃机构 6 为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 美国国家航空宇航局 NASA 喷气动力实验室 JPL 与加利福尼亚技术学院联合研制了三代跳跃机器人 第二代和第三代跳跃机器人具有相同的储能方式 国外研究现状 单足跳跃机器人 第一代跳跃机器人第二代跳跃机器人第三代跳跃机构菱形蓄能装置原理图 7 2000年MatthewCBirch设计了具有跳跃能力的仿蟋蟀微型机器人 2008年瑞士洛桑联邦理工大学开发一个重7克 身高5厘米的蚱蜢机器人 国外研究现状 多足跳跃机器人 8 2003年上海交通大学的杨煜普提出了一种新的单腿机器人运动模式翻转跳跃运动模式 2008年厦门大学的杨小传基于仿生学原理 通过模仿青蛙的跳跃 设计并制作了一种结构简单 新颖的跳跃机构 国内研究现状 9 西北工业大学的葛文杰等人 将仿袋鼠机器人机构简化为单腿模型进行讨论 哈尔滨工业大学的郁万春 根据蝗虫运动机理利用模态分析及冲量定理 建立了仿蝗虫跳跃机器人的杆件模型 国内研究现状 10 2 仿生跳跃机器人 研究内容 研究内容 1 速度和步频的选择 2 稳定性的研究 4 跑跳动物的缓冲特性 3 能量的储存 释放机构 12 1 速度和步频的选择1989年Blickhan指出 在生理学可能的跳跃频率范围内 跳跃的人选择一种频率 在这个频率下 大部分的能量能被传送 还能被弹性地储存 动物在跑和跳的过程中 采用平角的着地速度 从而产生最长的接触长度 16 在这种情况下 地面反作用力与接触时间成比例 总位移与步态持续的时间的平方成正比 接触时间和跳跃频率不是简单的由弹簧质量系统的固有频率决定的 但却受到着地速度矢量的严重影响 不同的腾空过程或不同着地速度的角度将导致不同的动力学和运动学模式 大部分科学家认为袋鼠的跟腱像弹簧一样伸出和弹回 在任何弹簧中 能被储存的能量与受到的力成正比 力是质量和速度的产物 因此动物以越快的速度撞击地面 在跟腱中储存的弹性能就越多 13 2 稳定性的研究在仿生四足动物中奔跑是速度最高的步态并伴随复杂的身体运动 在奔跑中有波动 滚动和偏离运动 腿的移动对系统的瞬间惯量有重要的影响 因此稳定性是一个重要的问题 四足动物跑的步伐的稳定性与系统惯量有重要的关系 Raibert和Murphy 17 等在平面仿真中提出 只有在无量纲的躯体惯量小于整体的惯量时跳越才会稳定不考虑能量 腿的摆动对身体的运动有很重要的影响 Alexander和Vernon 20 预见在快速跳跃中袋鼠身体的波动运动是由同时摆动双腿引起的 为了减小这种类似的身体波动 Reilbert设计的单足机器人的身体的瞬间惯量是腿的14倍 在大多数双足运动的情况下包括人类奔跑 相对而言腿的惯性大 腿的运动不会引起明显的身体的波动 因为两个腿不是同时移动 与单个腿有关的角动力的变化在本质上刚好互相抵消 这种观点也适合于大部分四足奔跑动物 14 3 能量的储存 释放机构如何实现能量的供给是仿动物奔跑机器人设计的重点 目前 在仿生领域中这仍处于探索和理论提出的阶段 腱 肌和韧带被许多科学家认为是奔跑动物的储存和释放能量的机构 也称为弹性储能元件 当红袋鼠在水平地面上快速跳跃时 氧气的消耗比例几乎保持不变 这已经被认为是腿的长而柔性的腱储存和释放惊人的弹性能量的结果 或者是红袋鼠有着特别高效率的肌肉 2003年Geyer 21 指出 在跳跃步态中 被动的柔性结构 腱和韧带 储存和释放部分跨越能量 这里 主动的肌肉必须提供所需要的力来克服变化的腱的应力和补偿不可避免的能量损失 1998年Biewener通过记录地面反作用力和腿的运动学性能 得出作用在肌腱单元和马的前后腿韧带上的应力由速度和步态的变化范围决定的结论 15 4 跑跳动物的缓冲特性许多动物足底长有 肉垫 而在肉垫的外部则包有坚硬的皮甲 这样 当足部与地面冲击接触时 肉垫可起到有效的缓冲作用 而坚硬的皮甲则既可保护肉垫组织不受损伤 同时还可增大肉垫的缓冲性能 经过这种生物结构的研究 发现在承重轮中夹装阻尼材料层 可耗散掉约10 20 的振动能量 若安装多层阻尼材料并设计合理 还可使振动能量的耗散率有所增加 模仿动物肢体的关节结构 在承重轮组的二摆臂之间安装缓冲装置 当承重轮摆动致使二摆臂之间缓冲装置压缩变形 进一步把振动能转变为阻尼材料的内耗能进行耗散 动物关节中的软骨是一种多孔的粘弹性材料 其中充满液体 在受力时液体可在软骨中流动 调节软骨的力学性质 使关节经常保持良好的缓冲性能 目前人们也研究在车辆的悬挂机构中采用多孔阻尼材料 阻尼液结构 试图在随机振动状态中时使缓冲结构具有最佳的状态参数 2020 3 15 16 可编辑 17 3 仿生跳跃机器人 研究方法与关键技术 1 跳跃机器人的驱动方式跳跃机器人的驱动方式直接影响跳跃机器人的性能以及结构 目前已经实现的驱动方式主要有 1 弹力机构驱动 是指利用特定机械机构产生的弹力来实现跳跃 这是一种较易实现的跳跃式机器人构建方法 可以采用的弹性构件包括弹簧 弹性杆等 简单的跳跃机器人多采用这种构建方法 如瑞士的蚱蜢跳跃机器人 美国的3D弓形弹跳机构和NASA第二代星际探测跳跃机器人 2 内能和化学能驱动 是指利用液压 气动的内能和燃烧爆炸的化学能而构建的跳跃机构 具有体积小 驱动力大和能量密度高等优点 这种构建方法可以在提升跳跃能力的同时 减小跳跃机器人的体积 从而大大增加跳跃机器人的活动范围 19 2 跳跃机器人的动力学模型的建立和分析跳跃机器人的动力学模型直接关系到其控制 动态特性和动力优化等问题的研究 机器人的动力学模型主要有经典的倒立摆SLIP模型和仿生的关节型模型 在分析机器人的动力学模型时比较常用的数学研究方法有 牛顿 欧拉方程法 拉格朗日方程法 高斯最小拘束原理法 凯恩方程法 20 3 跳跃机器人的控制策略跳跃机器人的控制系统的任务是根据机器人在运动中获取的自身位置信息和环境信息来控制机器人运动 直到到达目标点 可以把跳跃机器人的控制分为三个层次 1 任务控制 主要完成环境信息的感知 自身位置信息的获取 进而完成任务的规划和路径的规划 并在跳跃运动过程中及时修正规划以应对环境地形的变化 2 跳跃控制 主要利用已经得到的路径信息完成起跳参数角度能量的设置 完成姿态的调整 能量的蓄能 能量的释放等动作 进而完成一次有特定角度和特定高度的跳跃 3 稳定控制 在跳跃机器人的腾空飞行阶段 要控制机器人的平衡 提前做好落地的准备 在着地阶段 机器人要主动调整姿态 防止发生倾覆 21 4 跳跃机器人研究的关键技术和发展趋势跳跃机器人采用跳跃式运动方式前行 在跳跃机器人的研究过程中 有几项关键技术需要突破 1 能实现能量有效的储存和释放的机构 在跳跃式机器人的研究中 如何用新的机械机构或者新材料模仿类似于动物腱 韧带和肌肉的功能 实现能量的有效储存与释放和必要的减震缓冲作用 是跳跃式机器人研究的难点之一 2 高效的驱动方式 目前已经出现的机器人普遍采用的是弹性机构或者液压 气动驱动 弹性机构驱动能量利用率不高 无法实现高精度的控制 液压和气动驱动响应快 功率密度高 但是需要外部设备的支持 因此限制了跳跃机器人的活动范围 3 智能控制方法 跳跃运动的动物的运动平稳性和地形适应能力不仅得益于动物肢体的机构构造 而且和动物的智能控制机理有很大关系 目前常采用的基于生物激励的控制方法不同于经典的基于机器人模型的控制方法 它由中枢模式发生器产生稳定的具有相位互锁关系的周期信号来控制机器 22 4 仿生跳跃机器人 BionicKangaroo 具有高度复杂性的整体系统 驱动器 控制和调节技术及移动供电系统的巧妙结合 BionicKangaroo 压力传送器 标准汽缸 24 电气驱动精密运动 站立时 仿生袋鼠双脚和尾巴同时接触地面 形成一个稳定的三点支撑 同时尾巴在运动中起平衡作用 尾巴上安装了一个伺服电动机 控制尾巴的上下运动角度 控制平衡的补偿运动在臀部和大腿之间有两个伺服电动机 控制袋鼠的向前向后运动 所有这些通过集成控制系统来同一控制 动态跳跃 每个小腿通过附在上面标准的DSNUP汽缸来启动 膝盖和脚踝关节通过所谓的positivekinematicdevice来形成相互关联的运动序列袋鼠跟腱的功能是通过一个弹性弹簧元件用橡胶制成的 它是固定在脚后面 平行于气缸膝关节 人工腱可以缓冲跳跃 同时吸收动能并在下一起跳动作时释放 通过传感器和集成控制系统 来实时反馈和检测袋鼠跳跃和着陆过程中的稳定状态 姿态控制 BionicKangaroo可以通过带在人手上的臂章来实现姿势控制 臂章检测人手的肌肉运动 臂章里安装了位置传感器来记录和检测手臂的运动 臂章通过蓝牙将检测的信号传送到仿生袋鼠机器人的集成控制系统 实现人机交互 起跳阶段 在第一跳起跳之前 弹性足跟腱先产生预应力 BionicKangaroo转变它的重心向前开始倾斜 一旦以一定的角速度到达事先定义好的角度 气动缸被激活 通过腱的能量释放 袋鼠开始起跳 28 飞行阶段 在飞行过程中控制系统不断处理传感器返回的数据来进行调整姿态 为了跳的尽可能远 在飞行过程中仿生袋鼠机器人的腿尽量往前伸 在臀部产生扭矩 这时尾巴将会产生相应的运动补偿 从而保持主体运动基本水平 着地阶段 着陆时 肌腱拉紧 将跳跃过程中的动能转换为势能 从而将能量存储在系统中 用于第二次起跳时使用 着陆过程是系统能量恢复的关键过程决定着仿生袋鼠机器人是否能高效运动 着地后尾巴也回到起始位置为下次起跳做准备 29 5 仿生跳跃机器人 总结 总结 在非结构化或准结