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基本信息
- 項目名稱：
- 腿型連續(xù)跳躍機(jī)器人
- 小類：
- 機(jī)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(jī)器人屬于一種關(guān)節(jié)式跳躍機(jī)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(jī)器人在電機(jī)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(jī)器人的跳躍性能和落地穩(wěn)定性。本作品主要從機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及機(jī)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(jìn)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(xì)介紹：
- 腿型連續(xù)跳躍機(jī)器人屬于一種關(guān)節(jié)式跳躍機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人質(zhì)心運動的軌跡規(guī)劃，從而使機(jī)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(jìn)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(jī)器人落地時起到減震和緩沖的作用，保證機(jī)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(jī)器人的起跳機(jī)理和落地穩(wěn)定性為主要研究目標(biāo)，首先建立機(jī)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(jìn)行軌跡規(guī)劃和動力特性研究，在完成機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，完成機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)和彈性元件耦合驅(qū)動的方式，其中電機(jī)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(bǔ)電機(jī)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(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，起跳機(jī)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(jī)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(yuǎn)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(yuǎn)度為300mm。 通過模仿生物的跳躍運動來提高機(jī)器人的地形適應(yīng)能力、拓展機(jī)器人的活動范圍并降低能耗，可以實現(xiàn)機(jī)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(qiáng)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(jī)器人有助于對生物奔跑、跳躍運動機(jī)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(jī)器人的地形適應(yīng)能力、拓展機(jī)器人的活動范圍并降低能耗，可以實現(xiàn)機(jī)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(qiáng)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(jī)器人有助于對生物奔跑、跳躍運動機(jī)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(jìn)行設(shè)計，從機(jī)器人的起跳機(jī)理和落地穩(wěn)定性的研究入手，首先完成機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，接著建立機(jī)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(jìn)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(jī)器人的跳躍運動。 創(chuàng)新點：1）機(jī)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(jī)和彈性元件耦合驅(qū)動的方式，其中電機(jī)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(bǔ)電機(jī)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(jī)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(jī)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(yuǎn)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(yuǎn)度為300mm。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 北京某大學(xué)研制的雙臂彈性單腿跳躍機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)，研制了仿袋鼠跳躍機(jī)器人，該仿袋鼠跳躍機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)器人的跳躍性能并提高了機(jī)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(jì)效益預(yù)測
- 腿型連續(xù)跳躍機(jī)器人是由電機(jī)和蓄能元件耦合驅(qū)動的關(guān)節(jié)型跳躍機(jī)器人，該跳躍機(jī)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(jī)器人在電機(jī)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(jī)器人的跳躍性能和落地穩(wěn)定性。本作品主要從機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及機(jī)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(jìn)行了研究。 通過模仿生物的跳躍運動來提高機(jī)器人的地形適應(yīng)能力、拓展機(jī)器人的活動范圍并降低能耗，可以實現(xiàn)機(jī)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(qiáng)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(jī)器人有助于對生物奔跑、跳躍運動機(jī)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(jī)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(jì)性更強(qiáng)，更具市場前景。
同類課題研究水平概述
- 國外對跳躍機(jī)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(jī)械蟋蟀，機(jī)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(jī)充氣，微控制器控制腿部微型閥門及空氣壓縮機(jī)，使人工筋做出繃緊與收縮動作，驅(qū)動機(jī)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(jī)器人“Kenken”，該機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)體方向的非線形拉伸和壓縮，研制了間歇性跳躍式機(jī)器人，加入了遠(yuǎn)程遙控操作單元，大大提高了該彈跳機(jī)器人的實用性，但該彈跳機(jī)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(jī)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(jī)器人，該翻轉(zhuǎn)跳躍機(jī)器人僅由三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成，主要進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)研制了仿袋鼠跳躍機(jī)器人，并進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)逐步向多關(guān)節(jié)型、腿型等復(fù)雜的機(jī)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(jī)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。
