空中姿态可调的仿生跳跃运动机器人

　　产品参数

　　说明

　　创意简介

　　目前，陆地移动机器人主要采用两种运动方式：多轮或履带式驱动、仿生爬行或步行。这两类移动机器人都有一个共同的缺陷：它们很难一次性越过较大的障碍物或沟渠。随着机器人的应用范围越来越广泛，其面临的环境也越来越恶劣。复杂多变的外部地形环境就要求机器人具备很强的自由运动能力。

　　跳跃运动时自然界赋予生物的一种重要运动形式，对于结构或非结构环境，多数生物采用跳跃方式而不是滚动或其他方式越障，是由于跳跃运动的地形适应性和高效性。

　　跳跃机器人可以越过数倍甚至数十倍与自身尺寸的障碍物，同时落地面积小，落脚点离散，能够非常高效地通过复杂地形。由于跳跃机器人具有区别于其他类型的机器人的独特运动方式和运动特点，使其在考古探测、抢险救灾、星际探索、反恐作战、战场侦察等领域有着广阔的应用前景。

　　一、作品描述

　　1.1项目需求分析

　　随着人类考古探测、军事探察、星际探索活动的增加，机器人的活动范围已从原来的定点作业和结构化的工作环境中脱离出来，适应未知的、非结构化的环境已成为机器人未来的发展趋势，这就要求机器人具有更好的自主运动能力及地面自适应能力、更快的躲避风险的能力、更好的骨路结构受力方式和更强的越障性能。

　　目前的机器人主要为轮式、履带式、多足式机器人和扑翼飞行机器人等。其中轮式和履带式移动机器人在非结构化的地面上越障能力有限，多足机器人随着机构自由度的增多和电机数目的增加，机器人的失效率和控制系统的复杂程度也随之增加，扑翼飞行机器人的越障能力较强，但其连续的能量消耗使其能量利用率下降并且易受风雨等自然条件的影响。因此，需要研究更好的运动方式来提高机器人在非结构化的地面上的越障性能和能量利用率。跳跃机器人具有较强的越障性能，可以越过相当于自身高度几倍的障碍物，尤其是在月球等低重力的环境中工作，其优势更为明显。

　　1.2国内外研究现状

　　1986年美国麻省理工学院腿型机器人实验室的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，如图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。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。此后，出现的各种单腿机器人大都属于与此类似的结构。

　　另一种较早的弹跳机器人机构模型为Acrobatic Robot，也称Acrobot。它的结构类似于倒转的双钟摆，如图2所示。该机构仅有一个旋转自由度和一个动力源，位于其关节处。机构弹跳是通过加速其质心使其底部逐渐去与地面的接触来实现的。

　　

　　

　　图1 Raibert弹跳机构 图2 Aerobot弹跳机构

　　21世纪初NASA喷气推进实验室开始开发新型的跳跃机器人用于火星的探索，经过反复试验和不断改良，最终研究出了三代不同特征的跳跃式机器人，如图3所示。第一代是球形跳跃机器人，线性弹簧由电机驱动的螺杆压缩，到一定程度时由特定的机构锁定实现能量存储，瞬间释放实现跳跃，垂直跳跃高度为80cm，水平跳跃距离达30-60cm，水平跳跃距离达30-60cm，但是存在效率较低（机械能的转化效率只有20％）、被动的自我回正系统在许多地形中无法正常工作等缺点；第二代，仿青蛙跳跃机器人，储能采用六连杆机构，把水平方向的弹簧线性伸缩转换为机体方向的非线性拉伸与压缩，自带嵌入式控制系统，配有微型摄像机及各类传感器用于采集外界信息，还应用了两阶段式的自我扶正机械结构，在每次着陆以后都可以自行扶正为下一次跳跃做准备。最大跳跃高度为1.8m，在火星上预计可达5-6m，起跳角度为50°，机构重1.3kg，水平跳跃距离为2.3-3m，垂直跳跃高度为1.2m，提高了效率（机械能的转化效率提高到70％），但是仍然有起跳角不可调节、机动性不足等缺点；第三代，轮式结构，跳跃运动由齿轮箱下的两轮连接的四杆机构产生，后轮从动，提高稳定性，重1kg，垂直跳跃高度为1.1m，配备了电子设备，齿轮箱，电机，可编程控制器等，同时能用远程控制器进行控制，实现了起跳角度0-80°连续可调。

　　

　　图3 NASA的三代跳跃式机器人

　　2002年，日本的Hvon教授设计了能够跳跃的单足机器人，模仿狗的后腿，以三根杆作为机器人的跳跃腿，运用两个液压杆作为驱动肌肉，运用一个弹簧作为肌腱。通过弹簧提供推动力实现跳跃，并利用肌腱作为落地后的缓冲装置。由于机构自由度较多，为了实现机器人的静态稳定性，在机器人的顶部采用绳索辅助装置保持机构的静态稳定，实验表明，该机构具有一定的跑步和跳跃性能。

　　在国内，仿生弹跳机器人的研究还处于起步阶段，对于这一领域的研究内容主要集中于运动学、动力学、速度和力的传递性能以及其他有关仿生弹跳机器人的运动性能方面的研究。西北工业大学的葛文杰课题组近年来在跳跃机器人方面的研究取得了一些进展。该课题组设计的跳跃机器人采用非对称式齿轮六杆机构作为跳跃腿，通过丝杠传动拉伸弹簧。该机器人总质量为620 g，跳跃高度为30-45 cm。随后该课题组对上述机器人进行改进，采用齿轮五杆机构作为跳跃腿部机构，并添加姿态调整装置，该机构跳跃高度为20cm。

　　二、主要研究内容

　　跳跃运动仿生的基础就是获取仿生对象跳跃过程中的运动参数，因此首先要确定的是仿生对象的选取。在众多跳跃生物中，昆虫具有优越的跳跃性能，与袋鼠、青娃等脊推动物相比，昆虫的肌肉在运动过程中表现出超强的弹性能力，而蝗虫具有优良的跳跃性能，其跳跃腿的伸肌和屈肌的组合系统能够实现踢腿和跳跃等不同的机械运动。在蝗虫的跳跃过程中，通过释放半月板中的能量驱动跳跃腿部腔节快速伸张，使蝗虫身体获得一定的推力，从而使蝗虫迅速离开地面，获得优良的起跳速度。

　　2.1蝗虫腿部结构分析

　　蝗虫的外部有一层壳，肌肉在体壳的内部，两块主要的肌肉一块是胫节伸肌肉，它引起腿的伸开，另一块是曲肌，它使腿收起。图 4 所示。

　　

　　图4 蝗虫腿部结构图

　　蝗虫腿部构造图，从中可看到其腿节与胫节相连，可向一定方向转动，使胫节与腿节伸直或褶折，腿节上生有很多斜排的肌肉，控制胫节的运动。肌肉一端附在腿节的外表皮上，另一端附着在腿节中一种腱筋的结构上，腱筋通过连接腿节与胫节的关节到达胫节和附节。这些肌肉收缩时便拉动这条腱筋，使胫节与腿节相对拉直，这时可以产生相当大的力。可见蝗虫弹跳的关键在于这些斜排的肌肉，这些肌肉推动附在关节上的腱，腱可以通过去除腿部关节一侧的表皮后看见，曲肌腱并不是直线式的拉，而是绕着腿部的一节块机构。当一块肌肉工作，它通过腱将胫节拉到一个方向，而另一块工作时，则使胫节向另一个方向运动。对于蝗虫腿部的杆件结构模型的构建如图5所示。

　　

　　

　　（a） （b）

　　图5 蝗虫腿部结构杆件结构模型

　　根据蝗虫在跳跃过程中跳跃足与地面的接触情况，其跳跃运动全周期可分为准备阶段、起跳阶段、腾空阶段、着陆阶段:

　　(1)准备阶段：蝗虫跳跃足腿节绕基节转动，腔节绕腿节转动，使腔节与地面保持一个合适的夹角，并调整身体姿势，使两条跳跃足相对于身体中心线对称，并使跳跃足伸肌拉伸屈肌收缩将能量存储与半月板中。在此过程中，蝗虫的前腿进行姿势调整，以获得一个合理的起跳角度，且两条跳跃足的姿势相对于身体中心线对称。

　　(2)起跳阶段：在此过程中，蝗虫跳跃足的腿节与腔节快速协调运动，使前足首先离开地面，且关节转角随着跳跃足的伸展变化，存储的能量迅速释放，从而使其获得较大的起跳速度。

　　(3)腾空阶段：蝗虫跳跃足与地面解除约束离开地面，以某一起跳速度弹射出去，做抛物线运动，在此过程中，蝗虫展开翅膀调节身体重心以利于其空中飞行。

　　(4)落地阶段：在重力的作用下，蝗虫身体落回地面。

　　2.2仿生跳跃机器人结构设计

　　生物的运动仿生就是模仿生物运动特点，在分析其运动机理的基础上进行机械结构的设计，使仿生机构具有与模仿对象相似的运动特征和受力特性。蝗虫跳跃运动作为一种独特的运动方式具有其自身的运动机理，仿蝗虫跳跃机构的设计就是模仿其起跳过程中的运动特点，使仿生跳跃机构具有与蝗虫相似的运动特征和受力特性，从而使所设计的仿生跳跃机构获得良好的跳跃性能。

　　2.2.1杆式结构模型建立

　　对图5结构模型进行受力分析，列出平衡方程：

　　

　　机构的弹簧质量模型，如图6所示：

　　

　　图6 弹簧质量模型

　　这样就中加入了储能机构，腿部力方向从地面固定点指向质心，若弹簧被压缩，则能量被储存在弹簧中，为实现跳跃奠定了基础。

　　2.2.2 机器人总体设计

　　(1)驱动装置

　　由能量的转换原则可以看出，要想获得较大的起跳速度，必须事先将一定的能量存储起来，因此需克服一定的力做功，本跳跃机构驱动装置设计所釆用的原则为尽量减少躯动器的数量，因为机构中驱动器数量越多，功率密度越低。为了能够存储足够的能量，必须增大电机转矩，因此釆用直流电机和减速箱的方式配合齿条机构进行滑动副的驱动，从而实现存储能量。

　　(2)能量存储机构

　　能量存储方式有很多种，如弹簧、气体驱动、燃料驱动等。其中，气体驱动和燃料驱动都不利于机器人的小型化，因此考虑到机器人的尺寸及复杂程度，采用弹簧作为能量存储机构。

　　(3)触发机构

　　为了能够释放弹簧所存储的能量，需设计触发机构。由于该机构所采用的驱动机构是以电机驱动齿轮齿条机构进行滑动副的运动。鉴于此，将最后一级齿轮换成缺齿齿轮配合齿条传动的方式恰好能够完成滑动副的驱动和释放，因此触发机构采用缺齿齿轮完成。

　　(4 )整体设计

　　在跳跃机构总体设计中，为了减小机构身体尺寸和重量，并保证驱动力矩满足要求，采用直流电机配合减速系统实现驱动功能，该驱动机构布置在顶部滑块上，齿条搭建在导轨的两端，电机减速箱中的末级齿轮与该齿条啮合，实现动力传递，由跳跃足将顶部滑块与脚板连接，将弹簧布置在连杆关节两端，如图7所示。其中减速箱最后一级齿轮轴有两个齿轮，其中一个齿轮与上一级齿轮啮合，另一个齿轮为缺齿齿轮，并与齿条啮合。当缺齿齿轮与齿条处于啮合区时，驱动上身滑块沿导轨向下运动，并驱动跳跃腿转动，拉伸弹簧实现能量存储，当弹簧拉伸到一定程度时，缺齿齿轮与齿条处于非啮合区时，在弹簧力的作用下，能够顶部滑块沿导轨弹射。

　　

　　图7 整体机械结构示意图

　　2.2.3 跳跃过程仿真

　　对于所设计的驱动方式和触发机构是否可行，建立跳跃机构完整的虚拟样机模型进行运动仿真分析，该结构的可行性进行验证，其设计结果为:

　　(1)齿轮采用模数为0.5的渐开线齿轮，材料为POM，具有较高的强度和耐磨性。

　　(2)减速箱的末级缺齿齿轮为54齿，啮合区为40齿，齿轮在啮合阶段进行能量存储，转到非啮合区时完成释放，电机每加载一次，能够完成一次跳跃。

　　(3)跳跃足四根连杆尺寸皆为60 mm，材料为A16061，能够保证强度的前提下减轻重量。

　　(4)弹簧刚度的关系226.5 N/m，弹簧最大拉力为36N。

　　(5)齿轮和齿条釆用接触约束，即当缺齿齿轮与齿条处于啮合区时，电机驱动齿轮齿条传动，当处于非啮合区时，齿轮齿条能够自动脱离啮合，不受齿轮齿条运动副的影响。

　　其仿真运动过程如图8所示，在能量存储阶段，直流电机驱动减速箱中的齿轮转动，此时缺齿齿轮与齿条处于啮合区，从而驱动上身滑块沿导轨向下运动，并驱动跳跃腿转动，拉伸弹簧实现能量存储，当弹簧拉伸到一定程度时，缺齿齿轮与齿条处于非啮合区，此时，在弹簧力的作用下，顶部滑块沿导轨弹射，从而实现跳跃。

　　

　　图8 仿真跳跃过程

　　以机器人底座为基点，做出它的速度-时间，加速度-时间， X方向距离-时间，Y方向距离-时间曲线，如图所示：

　　

　　图9 跳跃机器人仿真速度-时间曲线

　　

　　图10 跳跃机器人仿真加速度-时间曲线

　　

　　图11 跳跃高度-时间曲线

　　

　　图12 跳跃距离-时间曲线

　　根据图9、10、11、12可以看出，机器人能够在瞬间时放出大量已储存在弹簧内的能量，给机器人一个很大的加速度，使其能够在很短的时间里获得约2.5m/sec的速度，从而完成起跳过程。从图11可以看出，跳跃的高度在理想情况下可以达到约30cm，是自身高度（140mm）的两倍左右，还是比较理想的。

　　从跳跃机器人的ADAMS仿真中可以看出，机器人可以通过所设计的储能、传动等结构完成跳跃动作，越过一定高度的障碍物。

　　2.2.4 空中调姿模块

　　落地倾倒的不稳定问题是制约当前跳跃机器人发展的主要问题，所以解决跳跃运动稳定性就成为了关键技术之一。要解决落地稳定性问题，除了保证机器人脚掌与地面发生塑性碰撞外，还需要在腾空阶段对机器人空中姿态进行调整，保证机器人以较优姿态落地。

　　方案一：通过关节把机器人跳跃部件连接在一起，通过控制关节处的电机来实现关节的预定动作，保持了姿态稳定。

　　针对机器人空中飞行过程可能出现的不稳定现象，考虑加入空中调姿模块。根据实时监控机器人的姿态信息，利用控制算法来使其保持姿态稳定和可控。

　　空中调姿模块需包含以下功能模块：

　　（1） 运动功能模块：驱动关节处的电机运动，实现位置环、速度环及电流环的精确控制；

　　（2） 传感功能模块：实现关节处传感器的信息采集，用于检测关节转角、转速、两杆相对位置等信息；

　　（3） 控制功能模块：能够执行设定的控制算法，综合处理和整合各传感器信号以形成反馈信号，实现飞行过程中的智能化。

　　传感器信号主要由以下部分组成：关节处电位计用于检测关节转角来确定关节的位置；关节转速由光电编码器测得；双轴倾角传感器用于检测机器人各杆的姿态。各功能模块的相互关系如下图所示：

　　

　　方案二：头部带螺旋桨（主要实现轨迹控制）

　　由动力装置、120度旋翼头、三个电动舵机、控制器、姿态位置传感器组成。在跳跃过程中不打开，离地飞行过程中打开螺旋桨，通过对当前传感信息的处理，经过控制算法，得到旋翼的桨距等控制量，进而控制机器人的空中姿态和轨迹。

　　2.3市场前景分析

　　2.3.1 短期目标

　　在客户关系上，由于目前尚未建立起足够的品牌效应，且前期研制成本较高，产品单一，因此在短期内，产品的营销目标是建立少量而稳定的营销关系，集中优势兵力，满足重点客户的需求，以获得客户的认可，建立稳定的合作关系。通过重点客户在其行业内的影响力，将本产品的技术优势及品牌价值辐射到该行业内的其他同类型企业，从而逐步积累新的客户。

　　虽然跳跃机器人在众多领域内均有着广阔的应用前景，由于跳跃机器人产品的寿命一般在几年至十几年左右，且更换成本偏高，所以短期内，本产品在客户选择上，侧重于向军事/国防等有国家或地方政府支持的企业推广。

　　在营销利润上，需要维持一定的价格水平，保证产品具有较高的利润率，但是可以通过其他方法降低客户的实际购买成本。

　　2.3.2 中长期目标

　　在中后期，本产品已通过前期辐射效应，在若干个行业内得到一定程度的推广，资金和经验也得到积累，在此基础上，产品营销目标将逐步向多行业、多层次转变，并细分市场。

　　在这个阶段，营销目标将根据不同行业对中、高端跳跃机器人或跳跃机构的需求和利润产生区分，其中，对高利润率的市场，尤其是新兴行业市场，仍保持重点客户的策略；而对竞争较为激烈、利润率较低的市场，则逐步向产品通用化、标准化方向过渡，行成固化的产品线，并在价格上与高利润产品构成明确的区分，最终形成以标准化产品作为资金流保障，以高利润、新市场产品作为增长点的营销目标。

　　三、SWOT分析

　　3.1 优势S

　　（1）618所的人才团队：618所的人才队伍强大，科研攻关能力强，生产经验丰富。

　　（2）品牌优势：中航工业有着庞大的客户群，良好的口碑，在新产品推广方面有极大优势。

　　（3）质量保证：618所科研生产项目大多针对军品，在制造加工上具有高质量、高精度、高可靠性的巨大优势，能够很好地满足仿生跳跃机器人的各项功能需求。

　　3.2 劣势W

　　（1）在市场营销与产品推广方面缺乏经验。

　　（2）与国外先进水平仍旧存在一定差距，无法形成技术垄断。

　　3.3 机会O

　　（1）发展前景广阔：通过装配传感器、摄像头、救援物资、武器等设备，跳跃机器人/具有跳跃功能的移动装置在考古探测、抢险救灾、星际探索、反恐作战、战场侦察等领域都有着广阔的应用前景。

　　（2）在国内市场上相关产品较少，几乎没有竞争对手。

　　3.4 威胁T

　　（1）对于该类产品，目前还没有被广大消费者充分了解，难以预计受众群体数量。

　　（2）产品打开市场后，覆盖领域广泛，如何建立科学高效的售后服务体系将会是一个难题。