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基本信息
- 項目名稱：
- 腿型連續(xù)跳躍機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 腿型連續(xù)跳躍機器人屬于一種關(guān)節(jié)式跳躍機器人，由兩個主動關(guān)節(jié)和一個被動關(guān)節(jié)及具有柔順的腳掌組成，機器人在電機及蓄能元件的耦合驅(qū)動下實現(xiàn)跳躍運動，柔順腳掌和被動關(guān)節(jié)的引入提高了機器人的跳躍性能和落地穩(wěn)定性。本作品主要從機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、運動軌跡規(guī)劃、動力特性分析及落地穩(wěn)定性等方面進行了研究。本作品在考古探測、軍事偵察、地質(zhì)勘探、搶險救災(zāi)等活動中有廣闊的應(yīng)用前景。
- 詳細介紹：
- 腿型連續(xù)跳躍機器人屬于一種關(guān)節(jié)式跳躍機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的跳躍運動。 本作品在結(jié)構(gòu)上可以抽象成由三個鉸接關(guān)節(jié)組成的串聯(lián)四桿機構(gòu)，其中有兩個主動關(guān)節(jié)和一個被動關(guān)節(jié)。兩個主動關(guān)節(jié)由直流伺服電機和彈性元件耦合驅(qū)動為跳躍運動提供動力，這兩個關(guān)節(jié)的相互配合運動是機器人跳躍的關(guān)鍵，通過對這兩個關(guān)節(jié)運動空間的規(guī)劃實現(xiàn)機器人質(zhì)心運動的軌跡規(guī)劃，從而使機器人獲得良好的跳躍性能。被動關(guān)節(jié)由彈性元件和阻尼進行約束，主要作用是延長起跳時間從而提高跳躍性能，同時在機器人落地時起到減震和緩沖的作用，保證機器人能夠平穩(wěn)落地，為連續(xù)跳躍運動打下基礎(chǔ)。 本作品的設(shè)計思路為以機器人的起跳機理和落地穩(wěn)定性為主要研究目標(biāo)，首先建立機器人跳躍運動的運動學(xué)模型和動力學(xué)模型，并對跳躍運動過程進行軌跡規(guī)劃和動力特性研究，在完成機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，完成機器人結(jié)構(gòu)的本體設(shè)計、加工和裝配工作，最終形成控制算法在搭建好的控制系統(tǒng)平臺上運行從而實現(xiàn)機器人穩(wěn)定的連續(xù)跳躍運動。 創(chuàng)新點及技術(shù)關(guān)鍵： 1）機器人采用關(guān)節(jié)運動的蓄能方式，提高了蓄能效率； 2）關(guān)節(jié)采用直流伺服電機和彈性元件耦合驅(qū)動的方式，其中電機實現(xiàn)關(guān)節(jié)控制來調(diào)整姿態(tài)，彈性元件用于蓄能并彌補電機啟動瞬時加速度的不足； 3）采用柔順腳掌及被動關(guān)節(jié)設(shè)計，調(diào)高了跳躍性能并改善了落地穩(wěn)定性，打下了連續(xù)跳躍運動的基礎(chǔ)，為腳掌欠驅(qū)動問題的解決提供了思路。 4）技術(shù)關(guān)鍵為：結(jié)構(gòu)設(shè)計及機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，起跳機理研究，質(zhì)心及關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃，落地穩(wěn)定性研究。 主要技術(shù)指標(biāo)：機器人能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)跳躍運動，跳躍高度和遠度可以根據(jù)規(guī)劃而改變，可實現(xiàn)的跳躍最大高度為200mm，最大遠度為300mm。 通過模仿生物的跳躍運動來提高機器人的地形適應(yīng)能力、拓展機器人的活動范圍并降低能耗，可以實現(xiàn)機器人在有障礙物或溝渠、甚至是有危險情況發(fā)生的復(fù)雜地勢中運動，在考古探測、軍事偵察、地質(zhì)勘探、搶險救災(zāi)等活動中有廣闊的應(yīng)用前景，同時因其具備強的低重力空間活動能力而在星際探索中更具運動優(yōu)勢，此外，研究跳躍機器人有助于對生物奔跑、跳躍運動機理的深入了解，對改善目前步行或爬行等遲緩運動方式有很好的啟發(fā)意義。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計目的：通過模仿生物的跳躍運動來提高機器人的地形適應(yīng)能力、拓展機器人的活動范圍并降低能耗，可以實現(xiàn)機器人在有障礙物或溝渠、甚至是有危險情況發(fā)生的復(fù)雜地勢中運動，在考古探測、軍事偵察、地質(zhì)勘探、搶險救災(zāi)等活動中有廣闊的應(yīng)用前景，同時因其具備強的低重力空間活動能力而在星際探索中更具運動優(yōu)勢，此外，研究跳躍機器人有助于對生物奔跑、跳躍運動機理的深入了解，對改善目前步行或爬行等遲緩運動方式有很好的啟發(fā)意義。 基本思路：模仿人腿的跳躍運動進行設(shè)計，從機器人的起跳機理和落地穩(wěn)定性的研究入手，首先完成機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，接著建立機器人跳躍運動的運動學(xué)模型和動力學(xué)模型，并對跳躍運動過程進行軌跡規(guī)劃和動力特性研究，最終形成控制算法在搭建好的控制系統(tǒng)平臺上運行從而實現(xiàn)機器人的跳躍運動。 創(chuàng)新點：1）機器人采用關(guān)節(jié)運動的蓄能方式，提高了蓄能效率； 2）關(guān)節(jié)采用直流伺服電機和彈性元件耦合驅(qū)動的方式，其中電機實現(xiàn) 關(guān)節(jié)控制來調(diào)整姿態(tài)，彈性元件用于蓄能并彌補電機啟動瞬時加速度的不足； 3）采用柔順腳掌及被動關(guān)節(jié)設(shè)計，調(diào)高了跳躍性能并改善了落地穩(wěn)定 性，打下了連續(xù)跳躍運動的基礎(chǔ)，為腳掌欠驅(qū)動問題的解決提供了思路。 技術(shù)關(guān)鍵：起跳機理研究，質(zhì)心及關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃，落地穩(wěn)定性研究。 技術(shù)指標(biāo)：機器人能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)跳躍運動，跳躍高度和遠度可以根據(jù)規(guī)劃而改變，可實現(xiàn)的跳躍最大高度為200mm，最大遠度為300mm。
科學(xué)性、先進性
- 北京某大學(xué)研制的雙臂彈性單腿跳躍機器人借助兩個驅(qū)動臂的擺動，驅(qū)動彈性被動伸縮腿實現(xiàn)跳躍。由于該跳躍機器人結(jié)構(gòu)對稱，運動過程時刻處于動平衡狀態(tài)，僅限于對彈性欠驅(qū)動機械系統(tǒng)振動能量的循環(huán)利用技術(shù)的研究； 西安某大學(xué)利用軀干、大腿、小腿及腳掌的鉸接組成五桿閉環(huán)機構(gòu)，研制了仿袋鼠跳躍機器人，該仿袋鼠跳躍機器人忽略了袋鼠腳掌的柔性，在柔性腳掌對減緩沖擊、降低沖擊加速度、積蓄能量并產(chǎn)生瞬間爆發(fā)力等關(guān)鍵問題的研究上參考價值不大； 哈爾濱某大學(xué)研制的仿蛙跳躍機器人，通過傳動箱的動力傳動拉伸彈簧蓄能，放松后實現(xiàn)跳躍運動，該仿蛙跳躍機器人的前腿采用彈簧片代替，僅限于對彈跳能力的研究，而對彈跳機器人的軟著陸及跳躍穩(wěn)定性等方面的研究具有一定的局限性。 較之上述的跳躍機器人，本作品在關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從關(guān)節(jié)式跳躍機器人軌跡規(guī)劃、動力特性、跳躍穩(wěn)定性及控制策略等方面進行了研究和嘗試，并通過引入被動關(guān)節(jié)和柔順腳掌改善了機器人的跳躍性能并提高了機器人的落地穩(wěn)定性。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 非專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；現(xiàn)場演示；錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 腿型連續(xù)跳躍機器人是由電機和蓄能元件耦合驅(qū)動的關(guān)節(jié)型跳躍機器人，該跳躍機器人由兩個主動關(guān)節(jié)和一個被動關(guān)節(jié)及具有柔順的腳掌組成，機器人在電機及蓄能元件的耦合驅(qū)動下實現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)跳躍運動，柔順腳掌和被動關(guān)節(jié)的引入提高了機器人的跳躍性能和落地穩(wěn)定性。本作品主要從機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、運動軌跡規(guī)劃、動力特性分析及落地穩(wěn)定性等方面進行了研究。 通過模仿生物的跳躍運動來提高機器人的地形適應(yīng)能力、拓展機器人的活動范圍并降低能耗，可以實現(xiàn)機器人在有障礙物或溝渠、甚至是有危險情況發(fā)生的復(fù)雜地勢中運動，在考古探測、軍事偵察、地質(zhì)勘探、搶險救災(zāi)等活動中有廣闊的應(yīng)用前景，同時因其具備強的低重力空間活動能力而在星際探索中更具運動優(yōu)勢，此外，研究跳躍機器人有助于對生物奔跑、跳躍運動機理的深入了解，對改善目前步行或爬行等遲緩運動方式有很好的啟發(fā)意義，同時機器人的跳躍運動較其他類型的移動方式具有更高的能量利用率，其經(jīng)濟性更強，更具市場前景。
同類課題研究水平概述
- 國外對跳躍機器人的研究起步較早，Case Western Reserve University研究人員研制出由人工筋驅(qū)動的機械蟋蟀，機械蟋蟀的腿部是由高分子管狀纖維編織成的人工筋，纖維內(nèi)部通過微型空氣壓縮機充氣，微控制器控制腿部微型閥門及空氣壓縮機，使人工筋做出繃緊與收縮動作，驅(qū)動機械蟋蟀行走與彈跳；日本Tohoku大學(xué)的Hyon和東京大學(xué)的TMita等人研制了類似狗腿型的機器人“Kenken”，該機器人的腿是由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接三根連桿組成的整型腿，腿部采用液壓驅(qū)動器模擬肌肉，大腿和腳之間采用線性彈簧模擬動物的鍵；日本東京大學(xué)研制了氣動雙足機器人“Mowgli”，Mowgli的人工肌肉骨骼系統(tǒng)由六個McKibben氣動肌肉組成，其中包括雙關(guān)節(jié)肌肉和兩條腿，腿部有髖、膝、踝關(guān)節(jié)，以空氣壓縮機通過電磁閥控制氣動肌肉實現(xiàn)400mm高度的穩(wěn)定跳躍；美國NASA實驗室組合了輪式移動和彈跳運動的優(yōu)點，采用六連桿構(gòu)造，把水平方向彈簧線形伸縮轉(zhuǎn)化成機體方向的非線形拉伸和壓縮，研制了間歇性跳躍式機器人，加入了遠程遙控操作單元，大大提高了該彈跳機器人的實用性，但該彈跳機器人在落地位置不夠平整時容易導(dǎo)致傾倒或翻轉(zhuǎn)，其落地的穩(wěn)定性還需改善。 國內(nèi)對跳躍機器人的研究比較少，主要有上海交通大學(xué)楊煜普等人提出了一種具有翻轉(zhuǎn)跳躍運動模式的單腿機器人，該翻轉(zhuǎn)跳躍機器人僅由三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成，主要進行了軌跡規(guī)劃和Poincare穩(wěn)定性研究；北方工業(yè)大學(xué)何廣平等研制的雙臂彈性單腿跳躍機器人由兩個驅(qū)動臂和一個彈性被動伸縮腿組成，主要探索了彈性欠驅(qū)動機械系統(tǒng)振動能量循環(huán)利用技術(shù)；西北工業(yè)大學(xué)葛文杰等從仿生學(xué)的角度，利用五桿閉環(huán)機構(gòu)研制了仿袋鼠跳躍機器人，并進行了運動步態(tài)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗研究；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的仿蛙跳躍機器人，通過傳動箱的動力傳動拉伸彈簧蓄能，放松后即可實現(xiàn)跳躍運動，仿蛙機器人的前腿用彈簧片替代，以保證器落地的穩(wěn)定性。 綜上，國外在彈跳機器人的研究領(lǐng)域已經(jīng)做了大量工作并取得了較大的研究成果，且正從簡單的跳躍機構(gòu)逐步向多關(guān)節(jié)型、腿型等復(fù)雜的機器人系統(tǒng)發(fā)展，但是大部分處于試驗研究階段，理論成果還不成熟；國內(nèi)彈跳機器人的研究起步較晚，尚處研制的初期階段，與國外相比還有一定的距離。
