仿蝗虫跳跃机器人起跳过程运动学建模及分析.pdf

第27卷第4期 机 械 设 计 V01．27 No．4 2010年 4月 JOURNALOFMACHINEDESIGN Apt． 2010 仿蝗虫跳跃机器人起跳过程运动学建模及分析 杨绘宇，王石刚，梁庆华，邓奇 (上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240) 摘要：根据蝗虫的身体构造及跳跃运动的特点，提出了仿蝗虫间歇跳跃机器人的机构模型。在建模时，将该模型抽 象为平面刚性连杆机构，采用机器人运动学分析的D—H法，建立了各构件之间的运动学关系。基于跳跃运动的力学原 理．采用关节轨迹规划的方法，分析 了起跳过程 中各杆件的位姿变化，并仿真 了其起跳过程 ，证明了分析方法的可行性。 研究了关键因素对跳跃性能的影响，为进一步分析及机器人的详细设计奠定了理论基础。 关键词：仿蝗虫机器人；起跳；运动学；轨迹规划 中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1001—2354(2010)04—0054—04 自然界中的蝗虫、蟋蟀、袋 鼠等生物，运用超强的 程及跳跃性能进行分析。 弹跳能力，能轻松跨越与 自身尺寸相当甚至数倍于 自 身尺寸的障碍物，通过模仿这些生物的跳跃运动设计 1 机构模型的建立 出的仿生跳跃机器人，有着常规机器人所不具有的运 动特性，其强大的越障能力、极快的跳跃速度、强大的 在蝗虫的前、中、后胸各生有 1对足 (腿)，分别称 地面适应能力、广阔的移动范围，使其在军事侦查、星 为前足、中足、后足，后足发达，适于跳跃，又称跳跃足。 际探索、抢险救灾等领域具有 良好的发展前景。 后足 由腿节、胫节、脚掌组成，蝗虫的跳跃运动主要是 在仿生跳跃机器人的研究方面，美国国家航空宇 依靠发达的后足快速地向后摆动，支撑起跳平面，从而 航局(NASA)下属的喷气动力实验室 (JPL)与加利福 借助支撑平面巨大的反作用力使身体腾空跃起 。在 尼亚技术学院联合研制了仿青蛙弹跳机，用于扩大星 建立跳跃机器人机构模型的时候，可以只考虑后足的 际探索中漫游车的活动范围…。国内西北工业大学葛 文杰教授对仿袋鼠跳跃机器人开展了研究，并对其运 作用，建立的机构模型如图1所示。由于蝗虫的左右 动学、动力学特性进行了深人分析 J。上海交通大 两条后足是对称的，并且在起跳过程 中运动基本一致， 学杨煜普等提出了一种新型翻转跳跃运动的单腿机器 所以可以用平面机构模型来进行分析。这里用4根刚 人机构模型，对其运动结构和轨迹规划进行了分析 。 性连杆分别代表躯体及后足的腿节、胫节、脚掌，它们 目前对仿生跳跃机器人的研究主要是针对连续跳跃运 之间通过平面转动关节A，B，C来连接。 动。连续跳跃运动频率较快，但它需要在机器人跳跃 体 的过程中不断感知外界环境，并实时改变 自身的姿态。 间歇性跳跃指两次跳跃运动之间有 明显的时间间隔， 用于姿态调整及积蓄能量，其单次跳跃的性能要优于 连续跳跃。对间歇性跳跃机器人的研究主要集中在从 静止到起跳的过程，因为这个过程直接影响到跳跃运 动的性能。 蝗虫的跳跃在昆虫中是比较有代表性的，它就是 采用间歇跳跃的方式，并且跳跃能力极强。目前有研 图1 机构模型简图 究者已经实现了机器人仿蝗虫式跳跃 J，但并没有对 起跳过程进行理论的分析。文中通过对蝗虫跳跃运动 2 运动学分析 的分析建立仿蝗虫跳跃机器人的机构模型，并采用机 器人运动学方法及跳跃运动的基本理论来对其起跳过